DE3817561A1

DE3817561A1 - Device for producing a projected object grating

Info

Publication number: DE3817561A1
Application number: DE19883817561
Authority: DE
Inventors: Christa Dipl Ing Berger; Heinrich Dipl Phys Dr Hoefler; Otmar Fichter
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1988-05-24
Filing date: 1988-05-24
Publication date: 1989-11-30
Also published as: DE3817561C2

Abstract

A device for producing a projected object grating for the topography measurement of sample surfaces according to the Moiré-projection method has a laser (6) and a 2-beam interferometer which is loaded by the laser light (5). The interferometer has a first fixed spherical mirror (14) and a second adjustable spherical mirror (17). By means of a transverse displacement of the second spherical mirror (17) the grating constant of the object grating (1) can be adjusted. An axial displacement of the spherical mirror (17) permits the phase position of the object grating (1) to be adjusted. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines projizierten Objektgitters für die Topographie messung von Prüflingsoberflächen gemäß dem Projek tions-Moire-Verfahren, mit einem Laser und einem vom Laserlicht beaufschlagten, zwei Spiegel und einen Strahlteiler aufweisenden Zweistrahlinterferometer.The invention relates to a device for generating a projected object grid for topography measurement of test specimen surfaces according to the project tion moire process, with a laser and one from Laser light was applied, two mirrors and one Beam splitter with two-beam interferometer.

Moire-Verfahren beruhen darauf, daß auf optischem Wege zwei regelmäßige Strukturen wie Liniengitter mit etwa gleich großen Gitterkonstanten zur Überlagerung ge bracht werden. Das Meß- oder Objektgitter wird bei der Topographiemessung von Oberflächen direkt auf die zu prüfende Oberfläche aufgebracht oder auf diese proji ziert.Moire processes are based on the fact that they are optical two regular structures like line grids with about equally large lattice constants for superimposition be brought. The measuring or object grid is at Topography measurement of surfaces directly towards the testing surface applied or projected onto this graces.

Die Projektion des Objektgitters kann durch die Pro jektion eines physikalischen, mechanischen Gitters auf die Prüfoberfläche analog der Projektion eines Dias erfolgen., wie z.B. aus Applied Optics, Vol. 17, No. 18, Seiten 2930-2933 (1978) bekannt ist. Dieses erlaubt zwar den schnellen Wechsel des Projektionsdias zur Veränderung der gewünschten Gitterkonstante, weist aber den Nachteil auf, daß die Tiefenschärfe ungenügend ist und daß ein guter Kontrast technisch schwierig zu realisieren ist.The projection of the object grid can be done by the Pro projection of a physical, mechanical grid the test surface analogous to the projection of a slide such as e.g. from Applied Optics, Vol. 17, No. 18, pages 2930-2933 (1978). This allows the projection slide to be changed quickly to change the desired lattice constant but the disadvantage is that the depth of field is insufficient is and that a good contrast is technically difficult to is to be realized.

Einen Ausweg bieten interferometrische Verfahren an, die sich durch einen hervorragenden Kontrast auszeich nen. In OPTICS COMMUNICATIONS Vol. 41, No. 4, Seite 243 -248 (1982) wird die Projektion des Objektgitters mit Hilfe einer Zweistrahlinterferenz vorgeschlagen. Auch bei der Anordnung gemäß IBM Technical Disclosure Bulletin Vo. 25, No. 1, Seite 357-358 (1982) wird ein projiziertes Objektgitter mit einer Zweistrahlinter ferenz erzeugt. In beiden Fällen wird ein von einer kohärenten Lichtquelle stammender großflächiger Licht strahl - hier jeweils ebene Lichtwellen - in zwei Teil strahlen zerlegt, die in einem dem Mach-Zehnder-Inter ferometer ähnlichen Lichtweg ohne einen zweiten Strahl teiler auf dem zu beleuchtenden Objekt wieder vereinigt werden. Hierzu sind zwei ebene Spiegel vorgesehen, die gegeneinander um einen Winkel geneigt sind. Die Gitter konstante des erzeugten Interferenzbildes ist propor tional zur Sinusfunktion dieses Winkels, der auch der Winkel ist, den die Hauptachsen der beiden großflächi gen Lichtstrahlen miteinander bilden. Zur Erhöhung der Gitterkonstanten muß dieser Neigungswinkel vergrößert werden, was bei den benutzten ebenen Lichtwellen zu einer drastischen Verkleinerung der überlappenden beleuchteten Fläche führt, in der das Objektgitter entsteht. Eine Erhöhung der Liniendichte des Objekt gitters bedingt somit ein verkleinertes Gesichtsfeld.Interferometric methods, which are characterized by excellent contrast, offer a way out. In OPTICS COMMUNICATIONS Vol. 41, No. 4, page 243 -248 (1982), the projection of the object grid with the aid of two-beam interference is proposed. Even with the arrangement according to IBM Technical Disclosure Bulletin Vo. 25, No. 1, page 357-358 (1982) a projected object grid with a two-beam interference is generated. In both cases, a large-area light beam originating from a coherent light source - here in each case plane light waves - is split into two part beams, which are reunited in a light path similar to the Mach-Zehnder interferometer without a second beam splitter on the object to be illuminated . For this purpose, two flat mirrors are provided which are inclined at an angle to one another. The lattice constant of the generated interference image is proportional to the sine function of this angle, which is also the angle that the main axes of the two large light beams form with one another. In order to increase the lattice constant, this angle of inclination must be increased, which leads to a drastic reduction in the overlapping illuminated area in which the object lattice is formed in the plane light waves used. An increase in the line density of the object grid thus results in a reduced field of vision.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Er findung die Aufgabe zugrunde, eine kompakt aufbaubare Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die es gestattet, bei hoher Liniendichte des Objektgitters ein großes Gesichtsfeld zu erhalten.Based on this state of the art, the Er the task is based on a compactly buildable To create device of the type mentioned, the it allows with high line density of the object grid to get a large field of vision.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kenn zeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs gelöst.This object is achieved by the kenn Drawing features of the main claim solved.

Durch die Überlagerung von divergenten Lichtbündeln mit gekrümmten Wellenfronten zur Beleuchtung der Oberfläche wird die Verkleinerung der mit dem Objektgitter ausge leuchteten Fläche bei einer Erhöhung der Gitterkon stanten vermieden. Die Verwendung eines sphärischen, konkaven Spiegels mit einer transversalen Verstellein heit zur Variation der Gitterkonstanten ersetzt die beim Stand der Technik notwendige Kippbewegung eines ebenen Verstellspiegels, die einerseits einen großen Platzbedarf hat und andererseits den überlappenden Bereich der miteinander interferierenden Lichtbündel stark einschränkt. Durch eine Translation senkrecht zur optischen Achse des einfallenden Laserstrahls, die technisch leicht und hochgenau erreicht werden kann, läßt sich bei der Erfindung die Liniendichte schnell und einfach verändern.By overlaying divergent light beams with curved wave fronts to illuminate the surface is the reduction made with the object grid illuminated area when increasing the lattice con aunt avoided. The use of a spherical, concave mirror with a transverse adjustment unit for the variation of the lattice constant replaces the necessary tilting movement in the prior art flat adjustable mirror, which on the one hand has a large Has space requirements and on the other hand the overlapping Area of interfering light beams severely restricted. By translating perpendicular to optical axis of the incident laser beam, the can be achieved technically easily and with high precision, the line density can be quickly in the invention and just change.

Bei Realisierung der Erfindung mit dem Aufbau eines modifizierten Michelson-Interferometers, bei dem die Interferometerarme zweimal durchlaufen werden, kann in Verbindung mit einem zweiten sphärischen konkaven Spie gel die Anordnung äußerst kompakt gestaltet werden.When realizing the invention with the structure of a modified Michelson interferometer, in which the Interferometer arms can be run through twice Connection to a second spherical concave game gel the arrangement can be made extremely compact.

Eine Verschiebung des verstellbaren Spiegels parallel zur optischen Achse des einfallenden Laserstrahls führt direkt zu einer Phasenverschiebung der interferierenden Lichtstrahlen auf der Oberfläche des Objekts, was zu einer Verschiebung der hellen und dunklen Streifen des Objektgitters entlang der Oberfläche führt.A shift of the adjustable mirror in parallel leads to the optical axis of the incident laser beam directly to a phase shift of the interfering Rays of light on the surface of the object, causing a shift in the light and dark stripes of the Object grid leads along the surface.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Further embodiments of the invention are in the Subclaims marked.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Die einzige Zeichnung zeigt eine schematische Seitenansicht eines Michelson-Interferometers gemäß der Erfindung.The following is an embodiment of the invention explained in more detail with reference to the drawing. The only Drawing shows a schematic side view of a Michelson interferometer according to the invention.

Die in der Zeichnung 1 dargestellte Vorrichtung mit einem Michelson-Interferometer dient zur Projektion eines Objektgitters 1 mit hellen und dunklen Streifen auf ein Objekt 2. Das Interferometer wird mit einem durch ein Aufweitungssystem, das aus einem Mikroskop objektiv 3 und einer Modenblende (Pinhole=dünnes Metallplättchen mit kreisförmigen kleinem Loch) 4 besteht, gefilterten und aufgeweiteten Laserstrahl 5 beleuchtet. Der aufgeweitete Laserstrahl 5 wird mit Hilfe eines eine genügende Kohärenzlänge aufweisenden Lasers 6 erzeugt, der einen parallelen, engen Laser strahl 7 liefert, welcher mit dem Mikroskopobjektiv 3 auf das Pinhole 4, dessen kreisförmiges Loch einen Durchmesser in der Größenordnung von einigen Mikro metern aufweist, fokussiert wird. Ein Achromat 8 im Brennweitenabstand von dem Pinhole 4 gestattet die Erzeugung des gefilterten, aufgeweiteten und wieder parallelen Laserstrahls 5 mit einem Durchmesser von un gefähr 10 mm.The device shown in the drawing 1 with a Michelson interferometer is used to project an object grid 1 with light and dark stripes onto an object 2 . The interferometer is illuminated with a laser beam 5 that is filtered and expanded by an expansion system that consists of a microscope objective 3 and a mode diaphragm (pinhole = thin metal plate with circular small hole) 4 . The expanded laser beam 5 is generated with the aid of a laser 6 having a sufficient coherence length, which delivers a parallel, narrow laser beam 7 , which with the microscope objective 3 onto the pinhole 4 , the circular hole of which has a diameter of the order of a few micrometers, is focused. An achromatic lens 8 at a focal length distance from the pinhole 4 permits the generation of the filtered, expanded and again parallel laser beam 5 with a diameter of approximately 10 mm.

Der aufgeweitete Laserstrahl 5 wird in einen Strahl teilerwürfel 9 eingekoppelt, der den aufgeweiteten Laserstrahl 5 in einen ersten Laserstrahl 10 und einen zweiten Laserstrahl 11 aufteilt, die in einen ersten Arm 12 und einen zweiten Arm 13 des Michelson-Inter ferometers gelenkt werden.The expanded laser beam 5 is coupled into a beam splitter cube 9 , which splits the expanded laser beam 5 into a first laser beam 10 and a second laser beam 11 , which are directed into a first arm 12 and a second arm 13 of the Michelson interferometer.

Der in den ersten Arm 12 gelenkte erste Laserstrahl 10 trifft auf einen im festen Abstand zum Strahlteiler würfel 9 angeordneten konkaven, sphärischen ersten Spiegel 14, der den ersten Laserstrahl 10 im wesent lichen in sich selbst reflektiert. Der Brennpunkt 15 des ersten sphärischen Spiegels 14 liegt zum Beispiel zwischen dem ersten Spiegel 14 und dem Strahlteiler würfel 9, wobei durch den ersten Spiegel 14 ein erster divergenter Laserstrahl 16 erzeugt wird, der als Ganzes durch den Strahlteilerwürfel 9 hindurchgeht. Wenn der Spiegel 14 für einen kompakten Aufbau in bevorzugter Weise auf dem Strahlteilerwürfel 9 angeordnet ist, liegt der Brennpunkt 15 im Strahlteilerwürfel oder auf der gegenüberliegenden Seite des Strahlteilerwürfels. Der zur Erzeugung des Objektgitters 1 nicht notwendige, am Strahlteilerwürfel 9 reflektierte Anteil des ersten, divergenten Laserstrahls 16 ist zur Übersichtlichkeit der Zeichnung nicht eingezeichnet.The first laser beam 10 directed into the first arm 12 strikes a concave, spherical first mirror 14 arranged at a fixed distance from the beam splitter 9 , which essentially reflects the first laser beam 10 into itself. The focal point 15 of the first spherical mirror 14 is, for example, between the first mirror 14 and the beam splitter cube 9, wherein a first divergent laser beam by the first mirror 14 is generated 16 which passes as a whole by the beam splitter cube. 9 If the mirror 14 is preferably arranged on the beam splitter cube 9 for a compact construction, the focal point 15 lies in the beam splitter cube or on the opposite side of the beam splitter cube. The portion of the first, divergent laser beam 16 which is not necessary for producing the object grating 1 and is reflected on the beam splitter cube 9 is not shown for the sake of clarity in the drawing.

Der über den Strahlteilerwürfel 9 in den zweiten Arm 13 gelenkte zweite Laserstrahl 11 trifft auf einen ein stellbaren konkaven, sphärischen zweiten Spiegel 17, der den zweiten Laserstrahl 11 nicht genau in sich selbst reflektiert. Der Brennpunkt 18 des konkaven, sphärischen zweiten Spiegels 17 liegt derart zwischen dem zweiten Spiegel 17 und dem Strahlteilerwürfel 9, daß der reflektierte zweite divergente Laserstrahl 19 als Ganzes durch den Strahlteilerwürfel 9 hindurch geht. Der gerade durch den Strahlteilerwürfel 9 hin durchtretende Anteil des reflektierten zweiten Laser strahls 11 ist zur Übersichtlichkeit nicht eingezeich net. Selbstverständlich kann die Anordnung auch so getroffen sein, daß der Brennpunkt 18 wiederum im oder unter dem Strahlteilerwürfel 9 zu liegen kommt, wodurch ein kompakterer Aufbau möglich ist.The second laser beam 11 directed via the beam splitter cube 9 into the second arm 13 strikes an adjustable concave, spherical second mirror 17 which does not exactly reflect the second laser beam 11 in itself. The focal point 18 of the concave, spherical second mirror 17 lies between the second mirror 17 and the beam splitter cube 9 such that the reflected second divergent laser beam 19 passes as a whole through the beam splitter cube 9 . The straight through the beam splitter cube 9 out portion of the reflected second laser beam 11 is not shown for clarity. Of course, the arrangement can also be such that the focal point 18 in turn comes to lie in or under the beam splitter cube 9 , whereby a more compact construction is possible.

Der zweite konkave, sphärische Spiegel 17 ist sowohl quer als auch parallel zur optischen Achse 21 des einfallenden zweiten Laserstrahls 11 verstellbar. Hierzu können Mikrometerschrauben einer Halterung und/oder Piezoelemente, auf denen der Spiegel 17 be festigt ist, benützt werden.The second concave, spherical mirror 17 is adjustable both transversely and parallel to the optical axis 21 of the incident second laser beam 11 . For this purpose, micrometer screws of a holder and / or piezo elements, on which the mirror 17 is fastened, can be used.

Ein Versetzen der Spiegelachse 20 gegenüber der opti schen Achse 21 des einfallenden zweiten Laserstrahls 11 führt zu einem Kippwinkel zwischen der Hauptachse des zweiten divergenten Laserstrahls 19 und dem ersten divergenten Laserstrahl 16 nach Austritt der beiden Strahlen aus dem Strahlteilerwürfel 9. Im überlappenden Teil 22 der beiden divergenten Laserstrahlen 16, 19 bildet sich als Interferenzmuster das Objektgitter 1 auf dem Objekt 2. Durch Verschiebung des zweiten sphärischen Spiegels 17 in Richtung der optischen Achse 21 des einfallenden zweiten Laserstrahls 11 kann das Objektgitter 1 innerhalb des überlappenden Teils 22 beliebig auf dem Objekt 2 entlang dessen Oberfläche verschoben werden (Phasenverschiebung).An offset of the mirror axis 20 with respect to the optical axis 21 of the incident second laser beam 11 leads to a tilt angle between the main axis of the second divergent laser beam 19 and the first divergent laser beam 16 after the two beams emerge from the beam splitter cube 9 . In the overlapping part 22 of the two divergent laser beams 16 , 19 , the object grating 1 forms on the object 2 as an interference pattern. By shifting the second spherical mirror 17 in the direction of the optical axis 21 of the incident second laser beam 11 , the object grating 1 can be shifted as desired within the overlapping part 22 on the object 2 along its surface (phase shift).

Bei einem besonders kompakten Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht der Laser 6 aus einem integrierten Halbleiterlaser. Es ist auch möglich, den nicht ver schiebbaren sphärischen Spiegel 14 durch eine Einrich tung aus einem Planspiegel oder konvexen Spiegel und einer Sammellinsenanordnung zu ersetzen, wenn die Abmessungen größer sein dürfen.In a particularly compact embodiment of the invention, the laser 6 consists of an integrated semiconductor laser. It is also possible to replace the non-sliding spherical mirror 14 by a device from a plane mirror or convex mirror and a converging lens arrangement if the dimensions may be larger.

Claims

1. Device for generating a projected object grid for the topography measurement of test specimen surfaces according to the projection Moi r'-method with a laser and a laser light acted upon, two mirrors and a beam splitter having two-beam interferometer, characterized in that at least one of the both mirrors is a curved mirror arrangement ( 14, 17 ) generating wave fronts.

2. Device according to claim 1, characterized in that the beam splitter ( 9 ) feeds the laser light ( 5 ) into two interferometer arms ( 12 , 13 ), each of which is limited by a spherical mirror ( 14 , 17 ) with the same focal length.

3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the beam splitter is a beam splitter cube ( 9 ) which the incident light ( 5 ) in a first transverse to the direction of incidence interferometer arm ( 12 ) and a second extend in the direction of incidence Interferometer arm ( 13 ) divides.

4. The device according to claim 2, characterized in that one of the two spherical mirror's ( 14 , 17 ) transversely to the interfero meter arm ( 21 ) is adjustable.

5. Device according to one of claims 2 to 4, characterized in that one of the two spherical mirrors in the direction of the inter ferometerarms ( 21 ) is adjustable.

6. Apparatus according to claim 4 and 5, characterized in that the adjustable mirror ( 17 ) on an in the axial direction ( 20 ) of the mirror ( 17 ) electrically excitable piezo crystal is arranged, which in turn on a transverse to the mirror axis ( 20 ) with With the help of a micrometer arrangement transversely adjustable bracket is arranged.

7. Device according to one of the preceding claims, characterized in that one of the two spherical mirrors ( 14 ) on the beam splitter ( 9 ) is attached.

8. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the transversely and / or axially adjustable spherical mirror ( 17 ) in the immediate vicinity of the assigned coupling surface of the beam splitter cube ( 9 ) is arranged.

9. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the spherical mirror arrangement ( 14 ) is formed by a plan mirror with an associated lens arrangement.

10. Device according to one of the preceding claims, characterized in that an expansion lens ( 3 , 4 , 8 ) with a mode diaphragm is arranged between the laser ( 6 ) and the interferometer arrangement.