DD282371A7

DD282371A7 - Verfahren und anordnung zur messung der mikrogestalt technischer oberflaechen

Info

Publication number: DD282371A7
Application number: DD88312815A
Authority: DD
Inventors: Klaus Koerner; Holger Fritz
Original assignee: Akad Wissenschaften Ddr
Priority date: 1988-02-10
Filing date: 1988-02-10
Publication date: 1990-09-12
Also published as: JPH01284704A; DE3902591A1; US4983042A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung der Mikrogestalt technischer Oberflaechen nach dem Prinzip des Interferenzmikroskops. Erfindungsgemaesz werden die im Objekt- und Referenzstrahlraum vorhandenen virtuellen Spiegelebenen durch einen unterschiedlichen Versatz optisch konjugiert abgebildet, dabei der Ort der Strahlteilung und -vereinigung raeumlich getrennt und eine Korrektur so vorgenommen, dasz sich dadurch das Objekt- und das Referenzstrahlenbuendel in einem gemeinsamen Strahlraum parallel zueinander ausbreiten. Hierdurch ist es moeglich, bei der interferometrischen Messung auftretende unerwuenschte kreisfoermige Interferenzstrukturen zu beseitigen und eine koerperliche Referenzflaeche ueberfluessig zu machen. Fig. 1{Interferometrie; Mikroskop; Mesztechnik; Bildempfaenger; Rauheit}

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung der Mikrogestalt technischer Oberflächen nach dem Prinzip des Interferenzmikroskops.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Nach DD-PS 32879 ist ein Interferenzmikroskop mit einem Abbildungsobjektiv und einer Objektoberfläche im Objektstrahlraum und einem Tripelreflektor im Referenzstrahlraum bekannt. Diese Anordnung gestattet die Verwendung nur eines Objektivs, das vorzugsweise eine sehr hohe numerische Apertur aufweist. Jedoch ist es nicht möglich, wie in der DD-PS dargestellt, durch die Einbringung eines optischen Keils in die eine Hälfte des Referenzstrahlenbündels Fizeau-Streifen zu erzeugen, da die Interferenzen in der Fokusebene eines Tubusobjektivs beobachtet werden, also im Unendlichen liegen. Das Einbringen eines deraitigen Keils in den Strahlengang ist hie sogar schädlich, weil die Interferenzerscheinung in der ßeobachtungsebene verschwindet.

Die experimentelle Erprobung der Verwendung eines Tripelreflektors aus Glas im Referenzstrahlengang eines Interferenzmikroskopes wurde in „Feingerätetechnik" 16(1967) 11 S. 505-508 für eine Anordnung ohne Keil im Referenzstrahlraum beschrieben. In der Beobachterebene treten jedoch kreisförmige Interferenzstrukturen auf, die unabhängig von der Oberflächenform entstehen und somit die Brauchbarkeit dieser optischen Anordnung so stark einschränkten, daß diese Anordnung in der Interferenzmikroskopie bisher keine praktische Verwendung gefunden hat. Außerdem sind die Anforderungen an die Genauigkeit des Tripelprismas bzgl. der Rechtwinkligkeit der Flächen zueinander sehr hoch, z. B. darf in einem Interferenzmikroskop für den Parallelitätsfehler des hin- und rücklaufenden Strahlenbündels ein Wert von etwa 10 Winkelsekunden für sichtbares Licht nicht überschritten werden. Aus diesen Gründen mußte in der Interferometrie weiterhin mit einem Referenzobjektiv und einer körperlichen Referenzfläche gearbeitet werden.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, den technischen Aufwand bei der interferenzmikroskopischen Messung der Rauheit von Oberflächen im Angströmbereich stark ?u verringern.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei der interferometrischen Messung auftretende unerwünschte kreisförmige Interferenzstrukturen zu beseitigen und die bisher erforderliche körperliche Referenzfläche überflüssig zu machen. Dies wird erfindungsgemäß durch eine Anordnung erreicht, die eine Lichtquelle, die eine komplette Interferenzmikroskop-Beleuchtung darstellt, umfaßt, eine Feldblende, ein Beleuchtungsobjektiv, eine teilverspiegelte Schicht, ein Abbildungsobjektiv, eine Objektoberfläche im Objektstrahlraum, die gemeinsam mit dem Abbildungsobjektiv eine virtuelle Spiegelebene im Objektstrahlraum bildet, drei reflektierende Planflächen im Referenzstrahlraum, die ebenfalls eine virtuelle Spiegelebene im Referenzstrahlraum erzeugen, ein Tubusobjektiv und einen Bildempfänger, wobei der Lichtquelle in Lichtrichtung die Feldblende, das Befeuchtungsobjektiv und die teilverspiegelte Schicht folgen, und dieser zum ersten das Abbildungsobjektiv und die Objektoberfläche folgen, zum zweiten dieser die drei reflektierenden Planflächen gegenüberstehen, wobei erfindungsgemäß zwischen der teilverspiegelten Schicht und dem Abbildungsobjektiv eine Platte angeordnet ist, und der teilverspiegelten Schicht eine zweite, parallel zu die ;er liegende, teilverspiegelten Schicht angeordnet ist, wobei dieser din drei reflektierenden Planflächen und weiterhin das Tubusobjektiv zugeordnet sind, dem ein Bildempfänger, der mit einem Rechner verbunden ist, folgt und der teilverspiegelten Schicht außerdem ein zweites Tubusobjektiv mit einem Okular gegenübersteht. Es ist günstig, wonn der zweiten teilverspiegelten Schicht ein Drehkeilpaar zugeordnet ist. Dieses Drehkeilpaar dient zum Ausgleich von Fertigungsfehlern.

Vorteilhafterweise sind die drei reflektierenden Planflächen als Tripelreflektor oder als Dachkantreflektor mit nachfolgender Reflexionsfläche ausgeführt, wobei der Tripelreflektor einen Eckpunkt P aufweist bzw. der geometrische Schnittpunkt des Dachkantreflektors mit der Reflexionsfläche einen Eckpunkt P bildet.

Durch diese Anordnung entsteht ein Minimum an Interferenzstreifen im Interferenzbild, wodurch sich eine besonders hohe Auswertegenauigkeit mit dem Phase-Sampling-Verfahren ergibt.

Dabei ist es vorteilhaft, wenn sich die beiden teilverspiegelten Schichten gemeinsam auf einer Platte befinden, wobei diese vorzugsweise nur je etwa die Hälfte der optisch nutzbaren Fläche bedecken.

Der Tripelreflektor ist vorzugsweise quer zur optischen Achse verschiebbar angeordnet. Dadurch wird die Möglichkeit gegeben, die Interferenzstrei'enbreite einzustellen.

Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn der Tripelreflektor als Glasprisma ausgebildet ist, um eine Veränderung der Relativlage der drei reflektierenden Flächen auszuschließen. Der Bildempfänger besteht zweckmäßigerweise aus einer CCD-Matrix. Die eingesetzte Platte ist vorzugsweise keilig und quer verschiebbar angeordnet, um ein exaktes Ineinanderfallen entstehender Pupillen B' und B" in eine gemeinsame Austrittspupille (B' B") zu gewährleisten.

Wird ein Tripelreflektor eingesetzt, so ist dieser in Strahlrichtung verschiebbar angeordnet, um den optischen Gangunterschied zu Null zu machen

Das Abbildungsobjektiv ist vorzugsweise gemeinsam mit der Platte auswechselbar angeordnet.

Ausführungsbeispiele

Die Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen die erfindungsgemäße Anordnung

Fig. 1: mit einer planparallelen Platte und einem Tripelreflektor

Fig. 2: als Wechselobjektiv mit zugehöriger Platte

Fig. 3: mit Dachkantprisma in Kombination mit einem 90°-Prisma.

1. Wie in Fig. 1 dargestellt, wird das von einer monochromatischen Lichtquelle 1 ausgehende Strahlenbündel von einer Feldblende 2 begrenzt, durch ein Beleuchtungsobjektiv 3 kollimiert und gelangt auf eine teilverspiegelte Schicht 4, die sich auf einer planparallelen Platte 5 befindet.

Ein Teil des Strahlenbündels gelangt in den Objektstrahlraum und wird zum Objektstrahlenbündel, welches eine Platte 6 durchsetzt und durch ein Abbildungsobjektiv 7 auf eine Objektoberfläche 8 fokussiert wird, wobei ein Fokusfleck entsteht. Von dort wird es im Fokusfleck reflektiert, durch das Abbildungsobjektiv 7 wieder kollimiert, durchsetzt die Platte 6 erneut und gelangt durch die teilverspiegelte Schicht 4 über die planparallele Platte 5 auf eine zweite teilverspiegelte Schicht 9. Der zweite Teil des Strahlenbündels passiert die teilverspiegelte Schicht 4 und wird zum Referenzstrahlenbündel, durchsetzt die planparallele Platte 5 und wird, nachdem es diese verlassen hat, von einem Tripelreflektor 10 reflektiert und an ssiner Symmetrieachse gespiegelt, passiert ein Drehkeilpaar 11 und wird an der teilverspiegelten Schicht 9 mit dem Objektstrahlenbündel zu zwei interferenzstrahlenbündeln vereinigt, von denen das eine über ein Tubusobjektiv 12 auf einen Bildempfänger 13 gelangt und das zweite Interferenzstrahlenbündel nach dem Durchlaufen der plarvarallelen Platte 5 über ein Tubusobjektiv 14 durch ein hier nicht dargestelltes Okular beobachtet werden kann.

Es wurde nun gefunden, daß die störenden Interferenzringe vermieden werden, wenn die optische Dicke der Platte 6 und die Lage des Abbildungsobjektives 7 so auf die optische Dicke u?s Tripolreflektors 10 und des Drehkeilpaares 11 sowie die Lage des Tripelreflektors 10 und des Drehkeilpaares 11 sowie die Lage des Ί ι ipelreflektors 10 abgestimmt sind, daß die jeweils im Objekt- und Referenzstrahlraum liegende virtuelle Spiegelebene S' und S" sich in der die planparallele Platte 5 halbierenden Ebene gemeinsam in einer Geraden K schneiden und so entsprechend Fig. 1 die Beziehung

2 x TF" = RU + WV

erfüllt ist und die Bilder B' und B" des Beleuchtungsobjektivs 3 so eino gemeinsame Austrittspupille (B' B") bilden. Das Drehkeilpaar 11 dient zum Ausgleich von Fertigungsfehlern des Tripelreflektros 10 und der planparallelen Platte 5, so daß das Objekt- und das Referenzstrahlenbündol sich nach der Vereinigung im gemeinsamen Strahlraum kollinear ausbreiten. Fig. 2 zeigt ein längerbrennwertiges Wechselobjektiv 15 mit dazugehöriger dünnerer Platte 6 und einer Objektoberfläche 8, wobei auch hier die optische Dicke der Platte 8 und das Wechselobjektiv 15 so, wie bereit? beschrieben, aufeinander abgestimmt sind, daß die Lage der virtuellen SpiegeleDene S' erhalten und die optische Weglänge gleich bleibt.

2. Entsprechend Fig. 3 wird das Objektstrahlenbündel nach der Reflexion an einer teilverspiegelten Schicht 16 in einen Glasblock 17 nach dem Durchsetzen einer Platte 6 durch ein Abbildungsobjektiv 7 auf eine Objektoberfläche 8 fokussiert, wobei ein Fokusfleck entsteht. Von dort wird es im Fokusfleck reflektiert, durch das Abbildungsobjektiv 7 wieder kollimiert und gelangt durch die Platte 6 über die teilverspiegelte Schicht 16 über ein Parallelstück 18 auf eine zweite teilverspiegelte Schicht 19. Der zweite Teil des Strahlenbündels, das Referenzstrahlenbündel, passiert die teilverspiegelte Schicht 16, durchsetzt einen Drehkeil 20, wird an einem Tripelreflektor 10 umgelenkt und an seiner Symmetrieachse gespiegelt, durchsetzt einen weiteren Drehkeil 21 und trifft auf die teilverspiegelte Schicht 18, wo es mit dem Objektstrahlenbündel wiedervereinigt wird, so daß zwei Interferenzbündelpaare gebildet werden, die entsprechend Ausführungsbeispiel 1 Verwendung finden.

Claims

1. Anordnung zur Messung der Mikrogestalt technischer Oberflächen, mit einer Lichtquelle, einer Feldblende, einem Beleuchtungsobjektiv, einerteilverspiegelten Schicht, einem Abbildungsobjektiv, einer Objektoberfläche im Objektstrahlraum, die gemeinsam mit dem Abbildungsobjektiv eine virtuelle Spiegelebene im Objektstrahlraum bildet, drei reflektierenden Planflächen im Referenzstrahlraum, die ebenfalls eine virtuelle Spiegelebene im Referenzstrahlraum erzeugen, einem Tubusobjektiv und einem Bildempfänger, wobei der Lichtquelle in Ausbreitungsrichtung die Feldblende, das Beleuchtungsobjektiv und die teilvorspiegelte Schicht nachgeordnet sind und dieser zum ersten das Abbildungsobjektiv und die Objektoberfläche, zum zweiten dieser die drei reflektierenden Planflächen folgen, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der teilverspiegfdten Schicht (4; 16) und dem Abbildungsobjektiv (7) eine Platte (6) angeordnet und zu der teilverspiagelten Schicht (4; 18) eine zweite, parallel zu dieser liegende teilverspiegelte Schicht (9; 19) angeordnet ist, wobei dieser die drei reflektierenden

, Planflächen und weiterhin das Tubusobjektiv (12) zugeordnet sind, dem ein Bildempfänger ('3), der mit einem Rechner verbunden ist, folgt und der teilverspiegelten Schicht (9) außerdem fiin zweites Tubusobjektiv (14) mit einem Okular gegenübersteht.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweiten teilverspiegelten Schicht (9; 10) ein Drehkeilpaar (11) zugeordnet ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die drei reflektierenden Planflächen als Tripelreflektor (10) ausgeführt sind, wobei der Tripelreflektor (10) einen Eckpunkt P aufweist.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die drei reflektierenden Planflächen als Dachkantreflektor mit nachfolgender Reflexionsfläche ausgeführt sind und der geometrische Schnittpunkt des Dachkantreflektors mit der F'.eflexionsfläche einen Eckpunkt P bildet.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die beiden teilverspiegelten Schichten (4; 9) gemeinsam auf einer planparallelen Platte (5) befinden, wobei diese vorzugsweise jeweils nur etwa die Hälfte der optisch nutzbaren Fläche bedecken.

6. Anordnung nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Tripelreflektor (10) quer zur optischen Achse verschiebbar angeordnet ist.

7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (6) keilig und quer verschiebbar angeordnet ist.

8. Anordnung nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Tripelreflektor (10) in Strahlrichtung verschiebbar angeordnet ist.

9. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abbildungsobjektiv (7) gemeinsam mit der Platte (6) auswechselbar angeordnet ist.