DE102006016053B4 - Method for the interferometric determination of an optical path length between the surface of an object and a reference surface and interferometer arrangement - Google Patents

Method for the interferometric determination of an optical path length between the surface of an object and a reference surface and interferometer arrangement Download PDF

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Abstract

Verfahren zur interferometrischen Bestimmung einer optischen Weglänge zwischen der Oberfläche (OO) eines Objekts (O) und einer Referenzfläche (RF) mit den Verfahrensschritten:
– Richten einer kohärenten elektromagnetischen Wellenfront auf die Oberfläche (OO) des Objekts (O),
– Anordnen der Referenzfläche (RF) vor der Oberfläche (OO) des Objekts (O) derart, dass der von der Referenzfläche reflektierte Anteil mit dem von der Oberfläche (OO) des Objekts (O) reflektierten Anteil ein Interferenzmuster bildet und
– Erfassung des Interferenzmusters in einer Detektionseinrichtung (K),
gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:
– Trennen von unterschiedlich polarisierten Strahlanteilen (S1, S2) zwischen der Referenzfläche (RF) und der Oberfläche (OO) des Objekts (O) zur Unterdrückung von Vielfachreflexionen derart, dass an der Re ferenzfläche (RF) die Strahlung einer ersten Polarität (S1) durchgelassen und Strahlung einer zweiten Polarität (S2) reflektiert wird, und
– Einstellen der relativen Intensitäten der Strahlanteile mittels eines einstellbaren Polarisationsfilters.Method for the interferometric determination of an optical path length between the surface (OO) of an object (O) and a reference surface (RF) with the method steps:
- directing a coherent electromagnetic wavefront on the surface (OO) of the object (O),
Arranging the reference surface (RF) in front of the surface (OO) of the object (O) such that the portion reflected by the reference surface forms an interference pattern with the portion reflected by the surface (OO) of the object (O);
Detecting the interference pattern in a detection device (K),
characterized by the method steps:
- Separation of differently polarized beam portions (S1, S2) between the reference surface (RF) and the surface (OO) of the object (O) for the suppression of multiple reflections such that at the reference surface (RF) the radiation of a first polarity (S1) is transmitted and radiation of a second polarity (S2) is reflected, and
- Setting the relative intensities of the beam components by means of an adjustable polarizing filter.

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur interferometrischen Bestimmung einer optischen Weglänge zwischen der Oberfläche (OO) eines Objekts (O) mit den Verfahrensschritten:

  • – Richten einer kohärenten elektromagnetischen Wellenfront auf die Oberfläche des Objekts,
  • – Anordnen der Referenzfläche vor der Oberfläche des Objekts derart, dass der von der Referenzfläche reflektierte Anteil mit dem von der Oberfläche des Objekts reflektierten Anteil ein Interferenzmuster bildet und
  • – Erfassung des Interferenzmusters in einer Detektionseinrichtung.
The invention relates to a method for the interferometric determination of an optical path length between the surface (OO) of an object (O) with the method steps:
  • Directing a coherent electromagnetic wavefront on the surface of the object,
  • Arranging the reference surface in front of the surface of the object such that the portion reflected by the reference surface forms an interference pattern with the portion reflected by the surface of the object, and
  • - Detection of the interference pattern in a detection device.

Die Erfindung betrifft ferner eine Interferometeranordnung mit einer kohärenten Strahlenquelle, deren Strahlung auf eine reflektierende Oberfläche eines Objekts geleitet wird, einer vor dem Objekt angeordneten teilreflektierenden Referenzfläche und einer Detektionseinrichtung zur Detektion von durch Interferenz zwischen dem vom Objekt und dem von der Referenzfläche reflektierten Strahl gebildeten Intensitätsänderungen.The The invention further relates to an interferometer arrangement with a coherent Radiation source whose radiation is directed to a reflective surface of a Object is directed, arranged in front of the object partially reflecting reference surface and a detection device for detecting by interference between the object reflected and the reference surface Beam formed intensity changes.

Es ist bekannt, zur Prüfung der Oberfläche eines Objektes dieses mit einer Wellenfront zu beleuchten, die möglichst der Idealform der zu messenden Oberfläche des Prüflings entspricht. Ist die Oberfläche des Objektes eine Planfläche, wird also das Planwellenspektrum der kollimierten Lichtquelle verwendet. Weist das Objekt eine sphärische Oberfläche auf, wird das Objekt in idealerweise mit einer sphärischen Wellenfront beleuchtet. Die Oberfläche des Objekts wird scharf auf eine Detektionseinrichtung, die beispielsweise eine Kamera ist, abgebildet. Demgemäß wird eine Beobachtungsordnung mit Beleuchtung im Auflicht verwendet.It is known for testing the surface of a Object this with a wavefront to illuminate the possible the ideal shape of the surface to be measured of the specimen corresponds. Is the surface of the object a plane surface, Thus, the plane wave spectrum of the collimated light source is used. Does the object have a spherical surface on, the object will be in ideally with a spherical Wavefront illuminated. The surface of the object becomes sharp on a detection device, which is for example a camera, displayed. Accordingly, a Observation order used with illumination in reflected light.

Zwischen dem Objekt und der Beobachtungsoptik wird eine Referenzfläche angeordnet, deren Form der Idealform der zu messenden Oberfläche entsprechen sollte. Für eine plane Oberfläche des Objekts ist die Referenzfläche somit plan ausgebildet, während bei einer sphärischen Oberfläche eine entsprechende sphärische Referenzfläche verwendet wird. Der Abstand zwischen der Referenzfläche und der Oberfläche des Objekts sollte deutlich kleiner sein als die halbe Kohärenzlänge der eingesetzten Strahlenquelle, die üblicherweise eine Lichtquelle ist. Auf dem Detektor entsteht dann ein Interferenzmuster, das aus der Überlagerung der von der Referenzfläche reflektierten Wellenfront der Beleuchtung (Referenzwellenfront) und der Wellenfront resultiert, die von der Oberfläche des Objekts reflektiert wird (Objektwellenfront). Aufgrund der notwendigerweise teilreflektierenden Eigenschaft der Referenzfläche entstehen zwischen der Oberfläche des Objekts und der Referenzfläche Mehrfachreflexionen.Between the object and the observation optics a reference surface is arranged, whose shape should correspond to the ideal shape of the surface to be measured. For a plane Surface of the Object is the reference surface thus trained while planning at a spherical Surface one corresponding spherical reference surface is used. The distance between the reference surface and the surface of the object should be significantly smaller than half the coherence length of the used radiation source, which is usually a light source is. On the detector then creates an interference pattern, the the overlay that of the reference surface reflected wavefront of illumination (reference wavefront) and the wavefront resulting from the surface of the Object is reflected (object wavefront). Because of necessarily Partial reflecting property of the reference surface arise between the surface of the object and the reference surface Multiple reflections.

Da sich die Referenzfläche notwendigerweise an einem dreidimensionalen Gegenstand befindet, wird die dem Objekt zugewandte Oberfläche des Gegenstandes (z.B. Glasplatte für eine plane Referenzfläche) als Referenzfläche verwendet und die der Strahlenquelle zugewandte Oberfläche entspiegelt. Ggf. kann die der Strahlenquelle zugewandte Oberfläche auch einen von der Parallelität abweichenden keilförmigen Winkel zur Referenzfläche aufweisen, um störende Reflexionen von dieser nicht benötigten Oberfläche zu vermeiden.There itself the reference surface necessarily located on a three-dimensional object, the object surface facing the object (e.g. Glass plate for a flat reference surface) as a reference surface used and the antireflective surface facing the radiation source. Possibly. may also be the surface facing the radiation source one of the parallelism deviant wedge-shaped Angle to the reference surface have to disturbing Reflections of this unnecessary surface to avoid.

Eine derartige Interferometeranordnung ist unterschiedlichen Ausführungsformen denkbar, beispielsweise bei einem Interferenzmikroskop, bei dem die Referenzfläche durch ein Deckglas gebildet wird. Eine übliche Anordnung einer erfindungsgemäßen Interferometeranordnung ist ferner ein Fizeau-Interferometer, wie es etwa aus der US 2005/004864 A1 bekannt ist. Dessen prinzipieller Aufbau ist in 1 dargestellt.Such an interferometer arrangement is conceivable for different embodiments, for example in an interference microscope in which the reference surface is formed by a cover glass. A common arrangement of an interferometer arrangement according to the invention is also a Fizeau interferometer, as it is known from the US 2005/004864 A1 is known. Its basic structure is in 1 shown.

Das Licht einer Laserlichtquelle L durchläuft eine Kollimatorlinse KL und eine Planplatte PP bevor es auf einen üblichen Strahlteiler gelangt. Das durch den Strahlteiler durchtretende kohärente Licht durchläuft eine übliche Fernrohr-Optik FO. Vor einem zu untersuchenden Objekt O mit einer wenigstens teilweise reflektierenden Oberfläche OO ist eine Referenzoptik in Form einer Referenzplatte RP angeordnet. Deren zum Objekt O zeigende Oberfläche dient als Referenzfläche RF, während die zur Lichtquelle L zeigende Oberfläche der Referenzplatte RP entspiegelt ist und daher für die Funktion keine Rolle spielt. Der in sich selbst reflektierte Lichtstrahl wird durch den Strahlteiler ST aus dem Beleuchtungsstrahl ausgekoppelt und gelangt auf eine Kamera K, mit der ein Interferenzmuster auswertbar ist. Das Interferenzmuster entsteht dadurch, dass die Referenzfläche RF mit einem Abstand zur Objektoberfläche OO angeordnet ist, der kleiner als die halbe Kohärenzlänge des Lichts der Lichtquelle L ist. Demgemäß erfolgt eine direkte Interferenz zwischen dem von der Referenzfläche RF reflektierten Lichtstrahl und dem von der Objektoberfläche OO reflektierten Lichtstrahl der Lichtquelle L.The Light from a laser light source L passes through a collimator lens KL and a plane plate PP before it reaches a conventional beam splitter. The coherent light passing through the beam splitter passes through a conventional telescope optic FO. Before an object to be examined O with one at least partially reflective surface OO is a reference optics arranged in the form of a reference plate RP. Its surface facing the object O serves as the reference surface RF, while the surface of the reference plate RP facing the light source L is antireflected is and therefore for the function does not matter. The reflected in itself Light beam is through the beam splitter ST from the illumination beam decoupled and reaches a camera K, with an interference pattern is evaluable. The interference pattern arises from the fact that the Reference surface RF is arranged at a distance to the object surface OO, the less than half the coherence length of the Light the light source L is. Accordingly, there is a direct interference between that of the reference surface RF reflected light beam and reflected from the object surface OO Light beam of the light source L.

Durch Variation des Abstandes zwischen der Referenzfläche RF und der Objektoberfläche OO, beispielsweise durch ein auf der Objektoberfläche OO aufgedrucktes Muster, entstehen Phasenunterschiede, die zu geänderten Intensitäten der Interferenzstreifen am Beobachtungspunkt der Kamera K führen.By Variation of the distance between the reference surface RF and the object surface OO, for example by a on the object surface OO imprinted pattern, phase differences arise that are too changed intensities the interference fringe at the observation point of the camera K lead.

2 verdeutlicht unterschiedliche Interferenzstreifenintensitäten, die durch unterschiedliche Reflexionsgrade auftreten. 2 illustrates different interference fringe intensities, which occur due to different degrees of reflection.

In 2 zeigt die Ordinate das Verhältnis der von der Oberfläche des OO des Objekts O reflektierten Intensität Ir zu der Intensität der Beleuchtung Ii bei verschiedenen Reflektivitäten. Die Abszisse zeigt den Abstand zwischen Referenzfläche RF und Objektoberfläche OO in Einheiten von π. Es ist aus 2 deutlich, dass der prinzipielle Verlauf der Intensitätsmodulation stark von der vorliegenden Reflektivität abhängt, dass heißt von dem Amplitudenreflexionskoeffizienten r und somit von der Finesse F.In 2 the ordinate shows the ratio of from the surface of the OO of the object O reflected intensity Ir to the intensity of the illumination Ii at different reflectivities. The abscissa shows the distance between the reference surface RF and the object surface OO in units of π. It is off 2 it is clear that the basic course of the intensity modulation depends strongly on the present reflectivity, that is to say on the amplitude reflection coefficient r and thus on the finesse F.

Für die Anwendung einer phasenschiebenden Interferometrie, bei der eine Phasenverschiebung entweder durch eine Verschiebung des Abstandes zwischen Referenzfläche RF und Objektoberfläche OO oder durch eine Änderung der Wellenlänge des Lichts der Lichtquelle L vorgenommen wird, entstehen durch die qualitativ unterschiedlichen Intensitätsmodulationen, wie sie in 2 dargestellt sind, naturgemäß erhebliche Auswertungsfehler, wenn nicht die Reflektivität der Oberfläche OO vorher festgestellt worden ist. Es ist daher erforderlich, die Reflektivität der Objektoberfläche OO jedes Objekts O vorher zu überprüfen und dadurch die anschließende Messung zu kalibrieren.For the application of a phase-shifting interferometry, in which a phase shift is carried out either by a shift of the distance between the reference surface RF and the object surface OO or by a change in the wavelength of the light of the light source L, arise by the qualitatively different intensity modulations, as in 2 are shown, of course, significant evaluation errors, if not the reflectivity of the surface OO has been previously determined. It is therefore necessary to check the reflectivity of the object surface OO of each object O beforehand and thereby to calibrate the subsequent measurement.

Besonders problematisch ist dies bei Oberflächen mit lokal variierenden Reflektivitäten. Während die Kalibrierung für eine Einzelmessung noch tolerierbar erscheinen mag, stellt das Erfordernis der Kalibrierung für Serienuntersuchungen ein entscheidendes wirtschaftliches Hindernis dar.Especially This is problematic for surfaces with locally varying Reflectivities. While the calibration for a single measurement may still be tolerable, is the requirement the calibration for Serial investigations a decisive economic obstacle represents.

Ein wesentlicher Anwendungsfall des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in der Vermessung von EUV (extrem-ultraviolett)-Masken, die für die EUV-Lithographie verwendet werden. Diese müssen wegen ihrer Anwendung bei der extrem hohen elektromagnetischen Frequenz der EUV-Strahlung extrem genau vermessen werden. Da die Masken zwangsläufig lokal unterschiedliche Reflektivitäten aufweisen müssen, ist ihre vorherige Kalibrierung unabdingbar. Der mögliche Ausweg, die Maskenkörper vor ihrer Beschichtung und Strukturierung zu vermessen, ist nicht gangbar, weil die Beschichtungen Spannungen erzeugen, die die Prüflinge deformieren. Da diese Spannungen vom Aufbau der Beschichtung und vom Beschichtungsvorgang selbst abhängen, müssen die Prüflinge im Endzustand ihrer Bearbeitung geprüft werden.One essential application of the method according to the invention consists in the Measurement of EUV (extreme ultraviolet) masks used for EUV lithography be used. These must because of their application at the extremely high electromagnetic frequency the EUV radiation are measured extremely accurately. Because the masks are necessarily local have different reflectivities have to, their previous calibration is essential. The possible way out, the mask body in front measuring their coating and structuring is not feasible, because the coatings create stresses that deform the samples. Since these stresses from the structure of the coating and the coating process depend on yourself, have to the examinees be checked in the final state of their processing.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine vereinfachte und verbesserte Möglichkeit zur interferometrischen Vermessung anzugeben.Of the The present invention is therefore based on the object, a simplified and improved possibility for interferometric measurement.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß ein Verfahren zur interferometrischen Bestimmung einer optischen Weglänge zwischen der Oberfläche eines Objekts und einer Referenzfläche mit den eingangs erwähnten Verfahrensschritten gelöst durch die folgenden Verfahrensschritte:

  • – Trennen von unterschiedlich polarisierten Strahlanteilen (S1, S2) zwischen der Referenzfläche (RF) und der Oberfläche (OO) des Objekts (O) zur Unterdrückung von Vielfachreflexionen derart, dass an der Referenzfläche (RF) die Strahlung einer ersten Polarität (S1) durchgelassen und Strahlung einer zweiten Polarität (S2) reflektiert wird, und
  • – Einstellen der relativen Intensitäten der Strahlanteile mittels eines einstellbaren Polarisationsfilters.
To achieve this object, a method for interferometric determination of an optical path length between the surface of an object and a reference surface with the method steps mentioned above is achieved by the following method steps:
  • - Separation of differently polarized beam portions (S1, S2) between the reference surface (RF) and the surface (OO) of the object (O) for the suppression of multiple reflections such that at the reference surface (RF) the radiation of a first polarity (S1) transmitted and radiation of a second polarity (S2) is reflected, and
  • - Setting the relative intensities of the beam components by means of an adjustable polarizing filter.

Zur Lösung der genannten Aufgabe ist ferner eine Interferometeranordnung der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzfläche als Polarisationsteiler ausgebildet ist, der Strahlung einer ersten Polarität reflektiert und einer zweiten Polarität durchlässt, sodass die Strahlung der zweiten Polarität von der Oberfläche des Objekts reflektiert wird, und dass in den Strahlengang wenigstens ein Polarisationsfilter eingeschaltet ist.to solution the above object is also an interferometer of the mentioned in the beginning Type according to the invention thereby characterized in that the reference surface as polarization splitter is formed, which reflects radiation of a first polarity and a second polarity to pass through, so that the radiation of the second polarity from the surface of the Object is reflected, and that in the beam path at least a polarization filter is turned on.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden Vielfachreflexionen zwischen der Referenzfläche und der Objektoberfläche unterdrückt. Die Auswertung an der Detektionseinrichtung ist daher die Auswertung einer reinen Zweistrahl-Interferometrie, bei der die Intensitätsmodulation der Interferenzstreifen unabhängig von der Reflektivität der Objektoberfläche qualitativ gleich bleibend erfolgt und insbesondere kosinusförmig ist. Durch unterschiedliche Reflektivitäten können dabei unterschiedliche Kontraste zwischen der maximalen Helligkeit und der maximalen Dunkelheit der Interferenzstreifen entstehen, der qualitative Verlauf bleibt jedoch unverändert, sodass beispielsweise die Anwendung einer phasenschiebenden Interferometrie fehlerfreie Auswertungen ermöglicht.By the method according to the invention Multiple reflections between the reference surface and the object surface is suppressed. The evaluation at the detection device is therefore the evaluation of a pure Two-beam interferometry, in which the intensity modulation of the interference fringes independently from the reflectivity the object surface qualitatively consistent and in particular cosinusoidal. By different reflectivities can thereby different Contrasts between the maximum brightness and the maximum darkness Interference fringes arise, the qualitative course remains but unchanged, such as the application of a phase-shifting interferometry error-free evaluations possible.

Die Erfindung ermöglicht insbesondere die Bestimmung der Position und/oder der Topographie der Oberfläche des Objekts relativ zu der Referenzfläche, die an die – ebenso wie die Wellenfront – an die Oberfläche des Objekts angepasst sein sollte.The Invention allows in particular the determination of the position and / or the topography of the surface of the object relative to the reference surface attached to the - as well like the wave front - to the surface the object should be adjusted.

Die Erfindung eignet sich darüber hinaus auch zur Bestimmung einer Weglängenänderung durch einen zwischen der Oberfläche und der Referenzfläche angeordneten durchleuchtbaren Gegenstand, beispielsweise einer Körperzelle. In diesem Fall wird nicht die reflektierende Oberfläche des Objekts vermessen, sondern der in dem Zwischenraum zwischen der Oberfläche und der Referenzfläche befindliche Gegenstand, sodass die Oberfläche des Objekts selbst als weitere Referenzfläche fungiert.The Invention is suitable In addition, for determining a path length change by an between the surface and the reference surface arranged by translucent object, such as a body cell. In this case, not the reflective surface of the Measure the object but the one in the space between the surface and the reference surface object, so that the surface of the object itself as further reference surface acts.

Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich besonders vorteilhaft dann anwenden, wenn die Trennung der Strahlanteile durch die Ausbildung der Referenzfläche selbst vorgenommen wird. Dies ist dadurch möglich, dass an der Referenzfläche die Strahlung einer ersten Polarität durchgelassen und Strahlung einer zweiten Polarität reflektiert wird. Auf diese Weise wird beim Durchtreten des Lichtstrahls durch die Referenzfläche eine Polarisationsteilung zwischen dem durchgelassenen und dem reflektierten Licht vorgenommen.The method according to the invention can be used particularly advantageously when the Separation of the beam components by the formation of the reference surface itself is made. This is possible because at the reference surface the radiation of a first polarity is transmitted and radiation of a second polarity is reflected. In this way, a polarization division between the transmitted and the reflected light is made as the light beam passes through the reference surface.

Eine erfindungsgemäße derart ausgebildete Interferometeranordnung der eingangs erwähnten Art ist dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzfläche als Polarisationsteiler ausgebildet ist, der Strahlung einer ersten Polarität reflektiert und einer zweiten Polarität durchlässt, sodass die Strahlung der zweiten Polarität von der Oberfläche des Objekts reflektiert wird, und dass in den Strahlengang wenigstens ein Polarisationsfilter eingeschaltet ist.A according to the invention such trained interferometer arrangement of the type mentioned is characterized in that the reference surface as a polarization splitter is formed, which reflects radiation of a first polarity and a second polarity to pass through, so that the radiation of the second polarity from the surface of the Object is reflected, and that in the beam path at least a polarization filter is turned on.

Mit dem in den Strahlengang eingeschalteten Polarisationsfilter, das vorzugsweise einstellbar ausgebildet ist, kann eine Anpassung der Strahlanteile der beiden Polaritäten so vorgenommen werden, dass sie eine etwa gleiche Intensität aufweisen, wodurch ein maximaler Kontrast erzeugt wird.With the switched in the beam path polarizing filter, the is preferably adjustable, an adaptation of the Beam portions of the two polarities be made so that they have an approximately equal intensity, whereby a maximum contrast is generated.

Erfindungsgemäß ist es daher nicht erforderlich, die Reflektivität der Referenzfläche an die (vorher bestimmte) Reflektivität der Oberfläche des Prüflings anzupassen, in dem beispielsweise unterschiedliche Referenzflächen vorgehalten werden. Erfindungsgemäß kann für alle Reflektivitäten der Oberfläche des Objektes die gleiche Referenzfläche verwendet werden und dennoch ein maximaler Kontrast eingestellt werden.It is according to the invention therefore not necessary, the reflectivity of the reference surface to the (previously determined) reflectivity the surface of the test piece adapted, for example, held in the different reference surfaces become. According to the invention for all reflectivities of surface of the object the same reference area can be used and still a maximum contrast can be set.

Die erfindungsgemäße Entkopplung der Referenzfläche von der Objektoberfläche ermöglicht die Durchführung der phasenschiebenden Interferometrie durch eine Änderung der Wellenlänge der Strahlenquelle, ohne dass es – wie bisher – zu qualitativ unterschiedlichen Intensitätsmodulationen kommt.The Decoupling according to the invention the reference surface from the object surface allows the implementation phase-shifting interferometry by a change the wavelength the radiation source, without it - as before - to qualitatively different intensity modulations comes.

Die für die phasenschiebende Interferometrie benötigte Phasenverschiebung kann dadurch erzielt werden, dass in den Strahlengang eine schräg gestellte λ/2-Platte eingesetzt wird, die für unterschiedliche Polarisationsrichtungen unterschiedliche optische Weglängen bewirkt. Durch Drehen der λ/2-Platte kann die Phase zwischen den beiden unterschiedlich polarisierten Strahlungsanteilen verändert werden.The for the phase-shifting interferometry required phase shift can be achieved in that in the beam path a slanted λ / 2 plate is used for different polarization directions different optical path lengths causes. Turn the λ / 2 plate The phase between the two can be differently polarized Radiation shares changed become.

Somit ist es möglich, die Fläche des Beleuchtungsbereiches der Oberfläche des Objektes parallel auszuwerten, weil etwaige lokal unterschiedliche Reflektivitäten keine Auswirkungen auf die Auswertungsmethode haben. Demgemäß ist es nicht mehr erforderlich, einzelne Punkte in der Ebene oder gar nur entlang einer Linie nacheinander abzutasten. Es ist daher erfindungsgemäß möglich, die Oberfläche des Objektes mit einer schnellen CMOS-Kamera auszuwerten.Consequently Is it possible, the area the illumination area of the surface of the object to be evaluated in parallel, because any locally different reflectivities have no effect have the evaluation method. Accordingly, it is no longer necessary single points in the plane or only along one line in succession scan. It is therefore possible according to the invention, the surface of Evaluate object with a fast CMOS camera.

Alternativ kann die Phasenverschiebung mit frequenzmodulierenden optischen Bauelementen, beispielsweise mit zwei AOM (Akusto Optische Modulatoren) hergestellt werden, die für die beiden unterschiedlich polarisierten Signalanteile mit einer geringen Differenzfrequenz von wenigen Hz betrieben werden. Dadurch kommt es zu einer Ausbildung einer Schwebung, sodass die unterschiedlichen Phasen durch Messungen zu unterschiedlichen Zeiten während der Schwebungsperiode zur Verfügung stehen. Das Messresultat in Form der Phasenverteilung ergibt sich somit mittels einer Umrechnung von beispielsweise fünf Bildern, die in definierten Zeitabständen aufgenommen wurden. Auf diese Weise kann ein Heterodyn-Verfahren implementiert werden, wodurch die Notwendigkeit beseitigt wird, die Referenzfläche in definierten Wegdifferenzen mechanisch zu verschieben, wie dies bei herkömmlichen Homodyn-Verfahren der Fall ist. Dieser Vorteil steht beispielsweise auch bei einer hochauflösenden interferometrischen Mikroskopie im Auflicht.alternative can phase shift with frequency modulating optical Components, for example with two AOM (Acousto Optical Modulators) be prepared for the two differently polarized signal components with a low difference frequency of a few Hz can be operated. Thereby it comes to a training of a beating, so that the different Phases through measurements at different times during the Beating period available stand. The measurement result in the form of the phase distribution results thus by means of a conversion of, for example, five pictures, at defined intervals were recorded. In this way, a heterodyne method implemented, eliminating the need for the reference surface in mechanically shift defined path differences, as with usual Homodyne method the case is. This advantage is for example in a high-resolution interferometric microscopy in incident light.

Durch die erfindungsgemäße Trennung der von der Referenzfläche und der von der Objektoberfläche reflektierten Strahlung bewirkt somit, dass der Verlauf der Intensitätsmodulation prinzipiell nicht von den im Interferometer vorliegenden Reflektivitäten abhängig ist. Die prinzipielle Form der Modulation der Interferenz bleibt erhalten, wobei nur eine Änderung des Kontrastes erfolgt, wenn sich die Reflektivität des Prüflings – insgesamt oder lokal – ändert.By the separation according to the invention that of the reference surface and that of the object surface reflected radiation thus causes the course of the intensity modulation principle is not dependent on the present in the interferometer reflectivities. The fundamental form of the modulation of the interference is preserved, with only one change of the Contrast takes place when the reflectivity of the specimen changes - overall or locally.

Der Verlauf der vom Abstand zwischen Referenzfläche und Oberfläche (bei konstanter Wellenlänge) abhängigen Intensitätsmodulation ist prinzipiell kosinusförmig. Somit kann ein die Phase schiebender Algorithmus in einem Fizeau-Interferometer angewendet werden und ist unabhängig von beispielsweise lokal variierenden Reflektivitäten.Of the Course of the distance between the reference surface and the surface (at constant wavelength) dependent intensity modulation is in principle cosinusoidal. Thus, a phase shifting algorithm can be used in a Fizeau interferometer be applied and is independent of locally varying reflectivities, for example.

Für die erfindungsgemäße kosinusförmige bzw. sinusförmige Modulation in einem Fizeau-Interferometer sind somit keine mechanisch oder elektronisch aufwändige Lösungen erforderlich, wie sie früher vorgeschlagen worden sind.For the cosinusoidal or sinusoidal Modulation in a Fizeau interferometer are thus not mechanical or electronically elaborate solutions required as they used to be have been proposed.

Eine lokale Kalibrierung des Verlaufs der Intensitätsmodulation kann entfallen. Gleichzeitig werden die Messunsicherheiten bei der Anwendung von fehlerkompensierenden Algorithmen minimiert.A Local calibration of the course of the intensity modulation can be omitted. At the same time, the measurement uncertainties in the application of error-compensating Minimizes algorithms.

Die Ausbildung des Polarisationsteilers erfolgt vorzugsweise zur Bildung linear polarisierter Strahlen. Dies ist insbesondere dadurch möglich, dass die Referenzfläche als flächiges Gitter ausgebildet ist. Dabei ist es möglich, mehrere Gitterstrukturen miteinander zu kombinieren, um einen vergrößerten Wellenlängen-Arbeitsbereich zu erhalten.The formation of the polarization splitter is preferably carried out to form linearly polarized beams. This is particularly possible because the reference surface ausgebil as a flat grid it is. It is possible to combine several grating structures with each other in order to obtain an increased wavelength working range.

Alternativ ist es ferner möglich, die Referenzfläche als Hologramm auszubilden, das somit als Volumengitter fungiert.alternative is it also possible the reference area form as a hologram, which thus acts as a volume grid.

Der vorzugsweise einstellbar ausgebildete Polarisationsfilter ist vorzugsweise vor der Detektionseinrichtung, die insbesondere eine Kamera sein kann, angeordnet. Es kann dabei als lineares Polarisationsfilter so eingestellt sein, dass die Strahlenanteile beider Polaritäten gleichmäßig abgeschwächt werden, wenn das Polarisationsfilter für eine Polarisationsrichtung von 45° zu den beiden senkrecht aufeinander stehenden Polarisationsrichtungen aufweist.Of the preferably adjustable trained polarizing filter is preferably in front of the detection device, which in particular can be a camera, arranged. It can be set as a linear polarization filter be that the radiation components of both polarities are uniformly attenuated, if the polarization filter for a polarization direction of 45 ° to the two mutually perpendicular polarization directions having.

Ergänzend hierzu ist es möglich, ein weiteres Polarisationsfilter am Ausgang der Strahlenquelle anzuordnen, also vor dem Strahlteiler des Fizeau-Interferometers. Dadurch ist in gleicher Weise der Anteil der beiden Strahlanteile zueinander einstellbar.In addition to this Is it possible, to arrange another polarization filter at the output of the radiation source, so in front of the beam splitter of the Fizeau interferometer. This is in the same way the proportion of the two beam components to each other adjustable.

Die erfindungsgemäße Anordnung kann auch dazu verwendet werden, Brechungsindexverteilungen von Objekten, die zwischen der zumindest teilweise reflektierenden Oberfläche OO und der Referenzfläche RF angeordnet werden, im doppelten Lichtdurchgang zu bestimmen. Dabei kann es sich beispielsweise um Flüssigkeiten oder auch um biologische Präparate handeln.The inventive arrangement can also be used to refractive index distributions of Objects, between the at least partially reflective surface OO and the reference surface RF can be arranged to determine in double light passage. These may be, for example, liquids or biological preparations act.

Anhand der beigefügten Zeichnung werden schematische Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert. Es zeigen:Based the attached Drawing schematic embodiments of the invention will be explained. It demonstrate:

3 eine schematische Darstellung einer als metallisches Gitter ausgebildeten Referenzfläche vor der Oberfläche eines Objektes, 3 a schematic representation of a metal grid formed as a reference surface in front of the surface of an object,

4 eine schematische Darstellung einer mit einem Oberflächenreliefgitter ausgebildeten Referenzfläche und 4 a schematic representation of a formed with a surface relief grid reference surface and

5 eine mit einem holographischen Volumengitter ausgebildete Referenzfläche. 5 a reference surface formed with a holographic volume lattice.

Die Erfindung wird vorzugsweise mit einem Fizeau-Interferometer ausgeführt, wie es prinzipiell anhand der 1 beschrieben ist.The invention is preferably carried out with a Fizeau interferometer, as it is in principle based on the 1 is described.

3 zeigt in einer vergrößerten Darstellung die Referenzplatte RP, die an ihrer Unterseite die Referenzfläche RF aufweist. Diese ist in den hier dargestellten Ausführungsbeispielen immer plan ausgebildet, kann jedoch an beliebige Formen einer zu überprüfenden Oberfläche OO eines Objektes O angepasst sein. 3 shows in an enlarged view the reference plate RP, which has on its underside the reference surface RF. This is always planed in the embodiments shown here, but can be adapted to any shape of a surface to be checked OO of an object O.

In 3 ist schematisch gezeigt, dass die Referenzfläche RF zur Vermeidung von Vielstrahlintererenz mit einer leitfähigen Sub-Wellenlängenstruktur in Form eines metallischen Gitters 1 beschichtet ist. Derartige Polarisationsstrahlteiler, die auf dem Prinzip eines leitfähigen Sub-Wellenlängengitters beruhen, sind bekannt und werden als „artificial dielectrics" bezeichnet. Die Trennung der beiden (linearen) Polarisationen ist dabei über einen Wellenlängenbereich von mehreren 100 nm gewährleistet, sodass über einen breiten Spektralbereich gearbeitet werden kann.In 3 schematically shows that the reference surface RF to avoid multi-beam interference with a conductive sub-wavelength structure in the form of a metallic grid 1 is coated. Such polarization beam splitters, which are based on the principle of a conductive sub-wavelength grating, are known and are referred to as "artificial dielectrics." The separation of the two (linear) polarizations is ensured over a wavelength range of several 100 nm, so that they operate over a broad spectral range can be.

In 3 sind zwei unterschiedliche polarisierte Strahlanteile S1, S2 schematisch dargestellt. Der Strahlanteil S1 weist eine Polarisation auf, für die der elektrische Vektor senkrecht zur Richtung der Gitterlinien schwingt, sodass diese Strahlung durchgelassen wird und von der Oberfläche OO des Objekts O reflektiert wird. Dem gegenüber wird der senkrecht dazu polarisierte Strahlanteil S2 von der Gitterstruktur 1 nicht durchgelassen, sondern reflektiert. Die beiden Strahlanteile S1 und S2 bilden bei Einsatz eines Polarisationsfilters vor dem Detektor ein Zweistrahl-Interferenzmuster, da eine Vielfachreflexion zwischen der Referenzfläche RF und der Objektoberfläche OO ausgeschlossen ist.In 3 are two different polarized beam portions S1, S2 shown schematically. The beam portion S1 has a polarization for which the electric vector oscillates perpendicular to the direction of the grating lines, so that this radiation is transmitted and is reflected by the surface OO of the object O. On the other hand, the perpendicularly polarized beam portion S2 of the lattice structure 1 not transmitted, but reflected. When using a polarization filter in front of the detector, the two beam components S1 and S2 form a two-beam interference pattern, since a multiple reflection between the reference surface RF and the object surface OO is excluded.

In Analogie dazu kann die Referenzfläche auch anisotrope, leitfähige Nanopartikel aufweisen, um eine Trennung der Polarisationen zu erzielen. Diese Nanopartikel können durch länglich gestrickte Silbertröpfchen gebildet sein.In Analogously, the reference surface can also be anisotropic, conductive nanoparticles to achieve a separation of the polarizations. These Nanoparticles can through oblong knitted silver droplets be formed.

4 zeigt ein entsprechendes Ausführungsbeispiel, bei der ein Oberflächenreliefgitter 2 verwendet wird, das zu den gleichen Ergebnissen bezüglich der Polarisationsteilung führt. 4 shows a corresponding embodiment in which a surface relief grid 2 is used, which leads to the same results with respect to the polarization division.

Der Effekt beruht darauf, dass in dem Oberflächenreliefgitter 2 der Strahlanteil S2 mit seiner Polarität so gebeugt wird, dass eine Totalreflexion entsteht.The effect is due to the fact that in the surface relief grid 2 the beam component S2 is diffracted with its polarity in such a way that a total reflection occurs.

Die Funktionsweise der „on axis polarising beam splitter" wie sie in den 4 und 5 dargestellt sind, ist im Normalfall um einen relativ schmalen Bereich um eine Soll-Wellenlänge begrenzt. Bei einem Volumengitter können mehrere Gitter unterschiedlicher Geometrie durch ein Hologramm belichtet werden. In das Profil eines Oberflächenreliefgitters können die Funktionen mehrerer unterschiedlicher Gitter kodiert werden, wodurch die Polarisationsteilung für einen größeren Arbeitsbereich erzielbar ist.The functioning of the "on axis polarizing beam splitter" as used in the 4 and 5 are normally limited by a relatively narrow range to a desired wavelength. In a volume grid, multiple gratings of different geometry can be exposed through a hologram. The profile of a surface relief grating can be used to encode the functions of several different grids, making it possible to achieve polarization splitting for a larger working range.

Claims (20)

Verfahren zur interferometrischen Bestimmung einer optischen Weglänge zwischen der Oberfläche (OO) eines Objekts (O) und einer Referenzfläche (RF) mit den Verfahrensschritten: – Richten einer kohärenten elektromagnetischen Wellenfront auf die Oberfläche (OO) des Objekts (O), – Anordnen der Referenzfläche (RF) vor der Oberfläche (OO) des Objekts (O) derart, dass der von der Referenzfläche reflektierte Anteil mit dem von der Oberfläche (OO) des Objekts (O) reflektierten Anteil ein Interferenzmuster bildet und – Erfassung des Interferenzmusters in einer Detektionseinrichtung (K), gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte: – Trennen von unterschiedlich polarisierten Strahlanteilen (S1, S2) zwischen der Referenzfläche (RF) und der Oberfläche (OO) des Objekts (O) zur Unterdrückung von Vielfachreflexionen derart, dass an der Re ferenzfläche (RF) die Strahlung einer ersten Polarität (S1) durchgelassen und Strahlung einer zweiten Polarität (S2) reflektiert wird, und – Einstellen der relativen Intensitäten der Strahlanteile mittels eines einstellbaren Polarisationsfilters.Method for the interferometric determination of an optical path length between the top Area (OO) of an object (O) and a reference surface (RF) with the method steps: - directing a coherent electromagnetic wavefront on the surface (OO) of the object (O), - arranging the reference surface (RF) in front of the surface (OO) the object (O) is such that the component reflected by the reference surface forms an interference pattern with the component reflected by the surface (OO) of the object (O), and - detection of the interference pattern in a detection device (K), characterized by the method steps: Separation of differently polarized beam portions (S1, S2) between the reference surface (RF) and the surface (OO) of the object (O) to suppress multiple reflections such that at the reference surface (RF) the radiation of a first polarity (S1) transmitted and radiation of a second polarity (S2) is reflected, and - adjusting the relative intensities of the beam components by means of an adjustable Po larisa tion filters. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennung der Strahlanteile (S1, S2) durch die Ausbildung der Referenzfläche (RF) selbst vorgenommen wird.Method according to claim 1, characterized in that that the separation of the beam portions (S1, S2) by the training the reference surface (RF) itself. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an der Referenzfläche (RF) Strahlung einer ersten Polarität (S1) und an der Oberfläche (OO) Strahlung einer zweiten Polarität (S2) reflektiert wird.Method according to claim 2, characterized in that that at the reference surface (RF) Radiation of a first polarity (S1) and at the surface (OO) Radiation of a second polarity (S2) is reflected. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Trennung von unterschiedlich linear polarisierten Strahlanteilen (S1, S2) vorgenommen wird.Method according to one of claims 1 to 3, characterized that a separation of different linearly polarized beam portions (S1, S2) is made. Interferometeranordnung mit einer kohärenten Strahlenquelle (L), deren Strahlung auf eine reflektierende Oberfläche (OO) eines Objekts geleitet wird, einer vor dem Objekt (O) angeordneten teilreflektierenden Referenzfläche (RF) und einer Detektionseinrichtung (K) zur Detektion von Interferenz zwischen dem vom Objekt (O) und dem von der Referenzfläche (RF) reflektierten Strahl gebildeten Intensitätsänderungen, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzfläche (RF) als Polarisationsteiler ausgebildet ist, der Strahlung einer ersten Polarität (S2) reflektiert und einer zweiten Polarität (S1) durchlässt, sodass die Strahlung der zweiten Polarität (S1) von der Oberfläche (OO) des Objekts (O) reflektiert wird, und dass in den Strahlengang wenigstens ein Polarisationsfilter eingeschaltet ist.Interferometer arrangement with a coherent radiation source (L), whose radiation onto a reflective surface (OO) an object is directed, one in front of the object (O) arranged partially reflecting reference surface (RF) and a detection device (K) for detecting interference between the object (O) and the reference surface (RF) reflected beam formed intensity changes, characterized that the reference surface (RF) is designed as a polarization splitter, the radiation of a first polarity (S2) and transmits a second polarity (S1), so that the radiation of the second polarity (S1) from the surface (OO) of the object (O) is reflected, and that in the beam path at least a polarization filter is turned on. Interferometeranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Polarisationsteiler zur Bildung linear polarisierter Strahlen ausgebildet ist.Interferometer arrangement according to claim 5, characterized characterized in that the polarization splitter to form linear polarized beams is formed. Interferometeranordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzfläche (RF) als Gitter (1, 2) ausgebildet ist.Interferometer arrangement according to claim 5 or 6, characterized in that the reference surface (RF) as a grid ( 1 . 2 ) is trained. Interferometeranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Referenzfläche (RF) mehrere Gitter (1, 2) ausgebildet sind.Interferometer arrangement according to claim 7, characterized in that in the reference surface (RF) a plurality of grids ( 1 . 2 ) are formed. Interferometeranordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzfläche (RF) als Hologramm (3) ausgebildet ist.Interferometer arrangement according to claim 5 or 6, characterized in that the reference surface (RF) as a hologram ( 3 ) is trained. Interferometeranordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der Oberfläche (OO) des Objekts (O) und der Referenzfläche (RF) kleiner als die halbe Kohärenzlänge der Strahlung eingestellt ist.Interferometer arrangement according to one of claims 5 to 9, characterized in that the distance between the surface (OO) of the object (O) and the reference surface (RF) is less than half the coherence length of the Radiation is set. Interferometeranordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Polarisationsfilter einstellbar ausgebildet ist.Interferometer arrangement according to one of claims 5 to 10, characterized in that the polarization filter adjustable is trained. Interferometeranordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Polarisationsfilter vor der Detektionseinrichtung (K) angeordnet ist.Interferometer arrangement according to one of claims 5 to 11, characterized in that the polarization filter in front of Detection device (K) is arranged. Interferometeranordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiteres Polarisationsfilter am Ausgang der Strahlenquelle (L) angeordnet ist.Interferometer arrangement according to one of claims 5 to 12, characterized in that another polarizing filter is arranged at the output of the radiation source (L). Interferometeranordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Polarisationsfilter für eine lineare Polarisation ausgebildet ist und dass die Polarisationsrichtung zwischen den Polarisationsrichtungen der ersten und der zweiten Polarität (S1, S2) eingestellt ist.Interferometer arrangement according to one of claims 6 to 13, characterized in that the polarization filter for a linear Polarization is formed and that the polarization direction between the polarization directions of the first and the second polarity (S1, S2) is set. Interferometeranordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzfläche (RF) und die Oberfläche (OO) in demselben optischen Arm angeordnet sind.Interferometer arrangement according to one of claims 5 to 14, characterized in that the reference surface (RF) and the surface (OO) are arranged in the same optical arm. Interferometeranordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Fizeau-Interferometer ausgebildet ist.Interferometeranordnung according to claim 15, characterized characterized in that it is designed as a Fizeau interferometer. Interferometeranordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 16, gekennzeichnet durch eine im optischen Strahlengang angeordnete schräg gestellte und drehbar angeordnete λ/2-Platte.Interferometer arrangement according to one of claims 5 to 16, characterized by a arranged in the optical beam path aslant asked and rotatably arranged λ / 2 plate. Interferometeranordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 17, gekennzeichnet durch wenigstens ein frequenzmodulierendes optisches Element, mit dem ein geringer Frequenzunterschied zwischen den unterschiedlich polarisierten Strahlanteilen (S1, S2) einstellbar ist.Interferometer arrangement according to one of claims 5 to 17, characterized by at least one frequency-modulating optical Element with a small difference in frequency between the different polarized beam portions (S1, S2) is adjustable. Interferometeranordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlenquelle (L) ein Laser ist.Interferometer arrangement according to one of claims 5 to 18, characterized in that the radiation source (L) is a laser is. Interferometeranordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung (K) eine Kamera ist.Interferometer arrangement according to one of claims 5 to 19, characterized in that the detection device (K) a Camera is.
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