DE10130902A1

DE10130902A1 - Interferometersystem, Verfahren zum Aufnehmen eines Interferogramms und Verfahren zum Bereitstellen und Herstellen eines Objekts mit einer Soll-Oberfläche

Info

Publication number: DE10130902A1
Application number: DE10130902A
Authority: DE
Inventors: Stefan Schulte; Bernd Doerbrand; Henriette Mueller; Wolfgang Kaehler
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2001-06-27
Filing date: 2001-06-27
Publication date: 2003-01-16
Also published as: US20040190002A1; JP2004530905A; EP1402228A1; US7002694B2; WO2003002933A1

Abstract

Es wird ein Interferometersystem vorgeschlagen, umfassend eine Referenzfläche, eine Halterung für ein eine Objektfläche bereitstellendes Objekt, eine Strahlungsquelle zur Emission von Strahlung einer einstellbaren Frequenz auf die Referenzfläche und die Objektfläche und einen ortsauflösenden Strahlungsdetektor sowie ferner eine Steuerung zum Einstellen einer Mehrzahl verschiedener Frequenzen der von der Strahlungsquelle emittierten Strahlung und einen Integrator, um die bei verschiedenen Frequenzen auf dem Strahlungsdetektor überlagerten Interferenzmuster ortsabhängig zu mitteln. DOLLAR A Weiters wird vorgeschlagen ein Verfahren zum Aufnehmen eines Interferogramms, ein Verfahren zum Bereitstellen eines Objekts mit einer Soll-Oberfläche sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Objekts mit einer Soll-Oberfläche.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Interferometersystem und ein Verfahren zur Aufnahme eines Interferogramms. Das Interferometersystem und das Verfahren werden vorzugsweise dazu eingesetzt, aus dem Interferogramm topologische Eigenschaften einer Objektfläche durch Auswerten des aufgenommenen Interferogramms zu ermitteln.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Bereitstellen und Herstellen eines Objekts mit einer Soll-Oberläche, wobei Abweichungen zwischen der Soll-Oberfläche und einer tatsächlichen Oberfläche des Objekts aus einem Interferogramm bestimmt werden und das Objekt in Abhängigkeit von diesen Abweichungen bereitgestellt bzw. nachbearbeitet wird.

Interferometersysteme werden herkömmlicherweise unter anderem zur Bestimmung von topologischen Eigenschaften einer Objektfläche eingesetzt. Es wird hierzu beispielsweise eine bekannte Referenzfläche und eine zu vermessende Objektfläche mit kohärenter Strahlung beleuchtet, und ein von der Objektfläche zurückgeworfenes Objektwellenfeld und ein von der Referenzfläche zurückgeworfenes Referenzwellenfeld werden beispielsweise auf einem Schirm zur Überlagerung gebracht, so daß dort ein Interferenzmuster entsteht. Aus dem Interferenzmuster kann ortsabhängig ein Unterschied des optischen Wegs von Referenzfläche zu Schirm und Objektfläche zu Schirm bestimmt werden, woraus dann topologische Unterschiede zwischeu der Objektfläche und der Referenzfläche bestimmbar sind.

Es sind zwei Techniken gebräuchlich, um solche Wegdifferenzen mit einem Interferometersystem zu bestimmen:

Ein erster Ansatz ist die sogenannte Streifenmusterinterferometrie ("FPI", fringe pattern interferometry), bei der ein optischer Wegunterschied zwischen zwei Wellenfronten aus Positionen von Streifenzentren eines Interferenzmusters bestimmt wird. Es kann hier beispielsweise Bezug genommen werden auf R. A. Jones und P. L. Kadakia, "An Automated Interferogram Technique", Applied Optics, Vol. 7, pp. 1477-1482 (1968); Zanoni, U.S. Patent Nr. 4,159,522 veröff. 26. Juni 1979, und Zanoni, U.S. Patent Nr. 4,169,980, veröff. 2. Oktober 1979.

Der andere Ansatz ist die sogenannte Phasenmeßinterferometrie ("PMI", phase measuring interferometry), wo die Phasendifferenz zwischen den beiden Wellenfronten für jedes Pixel eines Detektors aus mehreren Interferenzmustern errechnet wird, wobei die mehreren Interferenzmuster aufgenommen werden, indem in diesen verschiedene Phasendifferenzen erzeugt werden. Es kann hierzu beispielsweise Bezug genommen werden auf J. H. Brunning et al., "Digital Wavefront Measuring Interferometer for Testing Optical Surfaces and Lenses", Applied Optics, Vol. 13, pp. 2693-2703 (1974); Gallagher et al., U.S. Patent Nr. 3,694,088 veröff. 26. September 1972, N. Balasubramanian, U.S. Patent Nr. 4,225,240 veröff. 30. September 1980; M. Schaham, Proceedings SPIE, Vol. 306, pp. 183-191 (1981); und H. Z. Hu, "Polarization heterodyne interferometry using a simple rotating analyzer. 1: Theory and error analysis", Applied Optics, Vol. 22, pp. 2052-2056 (1983).

Aus US 4,594,003 ist ein Interferometersystem bekannt, bei dem die Frequenz der Strahlungsquelle änderbar ist, so daß sich die Streifen des Interferenzmusters verlagern lassen, ohne daß eine optische Komponente des Interferometersystems, wie etwa eine Referenzfläche oder eine Objektfläche, mechanisch verschoben werden muß. Hierbei ist eine Änderung über einen solchen Bereich vorgesehen, daß die Streifen des Interferenzmusters über eine volle Streifenbreite verlagerbar sind. Es werden vier Interferenzmuster aufgenommen, und zwar bei vier jeweils verschiedenen in diesem Bereich verteilten Frequenzen der Strahlungsquelle. Für jeden Pixel des Detektors wird dann eine Phase φ der optischen Wegdifferenz nach folgender Formel berechnet:

wobei B(0) bis B(3) die Intensitäten der einzelnen Aufnahmen an dem entsprechenden Pixel sind.

Dieses bekannte Verfahren zum Bestimmen von Wegdifferenzen ist dann weniger geeignet, wenn in dem Interferometersystem eine weitere Fläche vorhanden ist, welche ebenfalls ein Wellenfeld zurückwirft, das mit den von der Referenzfläche und der Objektfläche zurückgeworfenen Wellenfeldern interferiert. Das entstehende Interferenzmuster ist dann von besonders komplexer Natur. Dieser Fall tritt beispielsweise auf, wenn eine Oberfläche einer transparenten Platte mit zwei im wesentlichen planparallelen Oberflächen vermessen werden soll.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Interferometersystem und ein Verfahren zum Aufnehmen eines Interferogramms vorzuschlagen, welches weniger empfindlich auf Störreflexionen ist.

Ferner ist es eine Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zum Bereitstellen und Herstellen eines Objekts mit einer Soll- Oberfläche anzugeben.

Die Erfindung geht hierbei von einem Interferometersystem aus, welches eine Referenzfläche, eine Objektfläche, eine Strahlungsquelle zum Beleuchten der Referenzfläche und der Objektfläche mit Strahlung einer einstellbaren Frequenz und einen ortsauflösenden Strahlungsdetektor umfaßt. Die Strahlungsquelle, die Referenzfläche, die Objektfläche und der Detektor sind derart angeordnet, daß sich ein von der Referenzfläche reflektiertes Referenzwellenfeld mit einem von der Objektfläche reflektierten Objektwellenfeld zu einem Interferenzmuster mit ortsabhängiger Intensitätsverteilung überlagert, welches auf den Detektor abgebildet ist. Hierbei ist das durch Überlagerung des Referenzwellenfelds und des Objektwellenfelds gebildete Interferenzmuster gestört durch ein mit diesen Wellenfeldern ebenfalls überlagertes Störwellenfeld, welches von einer Störinterferenz-Fläche zurückgeworfen wird, die gemeinsam mit der Referenzfläche bzw. der Objektfläche von der Strahlungsquelle beleuchtet ist.

Die Erfindung zeichnet sich hierbei durch einen Integrator aus, um mehrere Interferenzmuster ortsabhängig zu mitteln, welche bei jeweils verschiedenen Frequenzen der von der Strahlungsquelle emittierten Strahlung aufgenommen sind.

Das erzeugte Interferogramm ensteht also derart, daß für jeden Ort des Interferogramms ein Mittel gebildet wird aus den Intensitäten der einzelnen Interferenzmuster an diesem Ort. Die Mittelung ist hierbei vorzugsweise eine gewichtete Mittelung.

Werte der Gewichte für das gewichtete Mitteln oder/und Werte der verschiedenen Strahlungsfrequenzen werden vorzugsweise in Abhängigkeit von dem Abstand der Störinterferenz-Fläche von der Objektfläche bzw. von der Referenzfläche eingestellt. Diese Werte werden hierbei vorzugsweise derart eingestellt, daß sich ein Einfluß der Störwellenfront auf das Interferogramm weitgehend herausmittelt. Es hat dann das durch Mittelung aus mehreren Interferenzmustern gebildete Interferogramm eine Gestalt bzw. Intensitätsverteilung, die in etwa der entspricht, wie sie die Wellenfronten der von der Objektfläche und der Referenzfläche zurückgeworfenen Wellenfronten alleine erzeugen würden, wenn die Störinterferenz-Fläche in dem Interferometersystem nicht vorhanden wäre.

Hierbei ist es weiterhin vorteilhaft, die optische Wegdifferenz zwischen Referenzfläche und Objektfläche einstellbar zu gestalten, da durch geeignete Wahl diese Abstände relativ zueinander ein Einfluß der Störwellenfront auf das Interferogramm weiter reduzierbar ist.

Vorteilhafterweise werden die mehreren Frequenzen zur Erzeugung der mehreren Interferenzmuster zeitlich nacheinander während einer Zeitdauer eingestellt, die einem Belichtungszeitintervall einer Kamera entspricht, die die Interferenzmuster aufnimmt. Dies hat eine besonders einfache Ausbildung des Integrators zur Folge, da dieser durch die Kamera selbst gebildet ist.

Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt:
Fig. 1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Interferometersystems,
Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung von verschiedenen Frequenzen von von einer Strahlungsquelle der Fig. 1 abgegebenen Strahlung zur Erzeugung von Interferenzmustern,
Fig. 3 eine zeitliche Abhängigkeit der von der Strahlungsquelle der Fig. 1 emittierten Strahlung,
Fig. 4 ein Diagramm, welches eine Interferogramm-Intensität in Abhängigkeit von einer optischen Wegdifferenz für ein durch das Interferometersystem der Fig. 1 erzeugtes Interferenzmuster bei Einstellung der Frequenzen gemäß den Fig. 2 und 3 ergibt,
Fig. 5 eine Interferogramm-Modulation in Abhängigkeit von einer optischen Wegdifferenz in dem Interferometersystem der Fig. 1, wie sie sich bei einer weiteren zeitabhängigen Einstellung der Frequenzen der Strahlungsquelle ergibt,
Fig. 6 eine der Fig. 2 entsprechende Frequenzverteilung der von der Strahlungsquelle emittierten Strahlung,
Fig. 7 eine der Fig. 4 entsprechende Darstellung der Interferogramm-Intensität in Abhängigkeit der optischen Weglängendifferenz bei Einsatz der in Fig. 6 gezeigten Frequenzverteilung,
Fig. 8 eine Teilansicht einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Interferometersystems und
Fig. 9 eine Teilansicht noch einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Interferometersystems.
Fig. 1 zeigt ein Fizeau-Interferometersystem 1 zur Vermessung einer Oberfläche 5 einer planparallelen Platte 3. Die Platte 3 ist in einer Halterung 4 gehaltert, welche über einen motorischen Antrieb 6 relativ zu einer Referenzfläche 23 verlagerbar ist.
Das Interferometersystem 1 umfaßt eine Lichtquelle 9, die einen Strahl 11 kohärenten Lichts mit einstellbarer Wellenlänge bzw. Frequenz emittiert. Die Lichtquelle 9 ist eine sogenannte ECDL-Quelle, ein Diodenlaser mit einstellbarer externer Kavität ("External Cavity Diode Laser").
Eine solche ECDL-Strahlungsquelle ist beispielsweise in dem Artikel "Widely Tunable External Cavity Diode Lasers" von Tim Day, Michael Brownell and I-Fan Wu beschrieben. Entsprechende Quellen können von der Firma New Focus, Inc., 1275 Reamwood Avenue, Sunnyvale, CA 94089, USA bezogen werden.
Der von der Quelle 9 emittierte Strahl 11 wird von einer Linse 13 auf eine rotierende Mattscheibe bzw. Streuscheibe 15 zur Unterdrückung räumlicher Kohärenz der Strahlung fokussiert. Die Streuscheibe 15 rotiert um eine in Fig. 1 nicht dargestellte Drehachse.
Nach Durchlaufen des Fokus im Bereich der Streuscheibe 15 durchsetzt der sich aufweitende Strahl 11' einen halbdurchlässigen Spiegel 17 und wird sodann nach ausreichender Aufweitung durch einen Kollimator 19, der ein oder mehrere Linsen umfassen kann, parallelisiert. Der daraufhin parallelisierte Strahl 11" durchläuft eine Glasplatte 21, deren von dem Kollimator 19 wegweisende Fläche 23 die Referenzfläche zur Vermessung der Oberfläche 5 der planparallelen Platte 3 bildet. Die Referenzfläche 23 ist möglichst plan gefertigt. Eine dem Kollimator 19 zuweisende Fläche 25 der Platte 21 erstreckt sich unter einem Winkel zur Referenzfläche 23, so daß von dieser Fläche 25 reflektierte Strahlung nicht in sich zurückgeworfen wird und zu Störinterferenzen beiträgt.
Von der Referenzfläche 23 in sich zurückreflektierte Strahlung wird durch den Kollimator 19 wieder kollimiert, trifft auf den halbdurchlässigen Spiegel 17 und wird von diesem nach Durchlaufen einer Blende 27 und eines Okulars 29 auf eine strahlungsempfindliche Schicht 31 einer CCD-Kamera 33 abgebildet. Ein durch die Referenzfläche 23 hindurchtretender Teil des Strahls 11 trifft auf die zu vermessende Fläche 5 der planparallelen Platte 3. Die zu vermessende Fläche 5 ist möglichst orthogonal zur Richtung des parallelen Strahls 11" ausgerichtet. Ein Teil der auf die zu vermessende Fläche 5 treffenden Strahlung wird wiederum in sich zurückreflektiert, durchläuft die Platte 21 erneut, wird ebenfalls von dem Kollimator 19 fokussiert und auf die strahlungsempfindliche Fläche 31 abgebildet. Die strahlungsempflindliche Schicht 31 der Kamera 33 bildet somit einen Schirm, auf dem die von der Referenzfläche 23 zurückgeworfene Strahlung mit der von der zu vermessenden Fläche 5 zurückgeworfenen Strahlung interferiert.
Ein Zweck der Interferometeranordnung 1 ist es, das durch die interferierende Überlagerung der von der Referenzfläche 23 zurückgeworfenen Strahlung und der von der zu vermessenden Fläche 5 zurückgeworfenen Strahlung erzeugte Interferenzmuster zu erfassen.
Wie vorangehend bereits angedeutet, ist die Platte 3 allerdings eine planparallele Platte, das heißt die zu vermessende Oberfläche 5 der Platte 3 und eine dieser gegenüberliegende andere Rückfläche 7 der Platte 3 erstrecken sich im wesentlichen parallel zueinander. Dies führt dazu, daß ein Teil der Strahlung 11, welcher die zu vermessende Fläche 5 durchsetzt, von der Rückfläche 7 der Platte 3 ebenfalls in sich selbst zurückgeworfen und auf die strahlungsempfindliche Schicht 31 abgebildet wird.
Somit interferiert auf der strahlungsempfindlichen Schicht 31 zum einen die von der Referenzfläche 23 zurückgeworfene Strahlung mit der von der zu vermessenden Fläche 5 zurückgeworfenen Strahlung, wobei hierzwischen eine optische Weglängendifferenz 2.C₀ besteht, es interferiert auf der strahlungsempfindlichen Schicht 31 zum anderen die von der Referenzfläche 23 reflektierte Strahlung mit der von der Rückfläche 7 der planparallelen Platte 3 reflektierten Strahlung, wobei hierzwischen eine optische Weglängendifferenz 2.C₂ besteht, und es interferiert dort weiter die von der zu vermessenden Fläche 5 der Platte 3 reflektierte Strahlung mit der von deren Rückfläche 7 reflektierten Strahlung, wobei hierzwischen eine optische Weglängendifferenz von 2.C₁ besteht. Das auf der strahlungsempfindlichen Schicht 31 entstehende Interferenzmuster ist somit sehr kompliziert und schwer auszuwerten.
Die Kamera 33 liefert die Daten, die eine Strahlungsintensitätsverteilung auf der strahlungsempfindlichen Fläche 31 repräsentieren, über eine Datenleitung 35 an einen Rechner 37. Der Rechner 37 wiederum erzeugt eine Darstellung des Interferenzmusters auf der strahlungsempfindlichen Schicht 31 auf einem Sichtgerät 39, wobei in Fig. 1 lediglich schematisch ein Interferenzmuster mit mehreren symbolischen Streifen 40 angedeutet ist. Der Rechner 37 speichert die Daten ferner und führt weiterhin eine Auswertung der Interferenzmuster durch, um hieraus Niveauunterschiede zwischen der Referenzfläche 23 und der zu vermessenden Fläche 5 bzw. die Topologie der zu vermessenden Fläche 5 zu bestimmen.
Das Interferometersystem 1 umfaßt ferner eine Steuerung 41, die von dem Rechner 37 über eine Steuerleitung 43 mit Frequenzdaten versorgt und freigegeben wird und die sodann zum einen über eine Leitung 45 die Frequenz der von der Quelle 9 auszugebenden Strahlung 11 zeitabhängig einstellt und zwar in Abhängigkeit eines von der Kamera 33 erzugten Triggersignals 48, das über eine Leitung 47 auch dem Rechner 37 zugeführt wird.
Nachfolgend wird ein Verfahren zum Betrieb des Interferometersystems 1 beschrieben, wobei für die Platte 3 eine Dicke von 74 mm angenommen ist, so daß sich unter Berücksichtigung des Brechungsindexes des Glases der Platte 3 eine optische Wegdifferenz 2.C₁ von 214,39 mm ergibt.
Die Steuerung 41 stellt zunächst über die Leitung 45 die Frequenz der Strahlungsquelle 9 auf eine erste Frequenz mit einem Wert f - Δf ein und startet über die Leitung 47 die Integration der CCD-Kamera 33, so daß das Interferenzmuster, welches durch die von den drei Flächen 23, 5 und 7 reflektierten Wellenfronten bei Beleuchtung mit Strahlung der Frequenz f - Δf erzeugt wird, auf die strahlungsempfindliche Fläche 31 der Kamera 33 fällt und die entsprechende Strahlungsintensität dort integriert wird. Nach 3,75 msec stellt die Steuerung 41 die Quelle 9 auf eine zweite höhere Frequenz f ein, so daß das bei dieser Frequenz erzeugte Interferenzmuster als zweites Interferenzmuster während der Integrationszeit der Kamera 33 auf die strahlungsempfindliche Schicht 31 fällt und die entsprechenden Strahlungsintensitäten dort zu den Intensitäten des ersten Interferenzmusters integriert werden. Nach weiteren 7,5 msec stellt die Steuerung 41 die Frequenz der Strahlungsquelle 9 auf eine noch höhere dritte Frequenz mit dem Wert f + Δf ein, so daß auch das bei dieser dritten Frequenz erzeugte Interferenzmuster ebenfalls innerhalb der Integrationszeit der Kamera auf deren Lichtsammelfläche 31 fällt und die Intensitäten des dritten Interferenzmusters zu den Intensitäten des ersten und zweiten Interferenzmusters addiert werden. Die Beleuchtung mit der dritten Frequenz f + Δf dauert 3,75 sec, und daraufhin veranlaßt die Steuerung 41 über die Leitung 47 ein Beenden der Integrationszeit der Kamera 33, und die Daten, die die gesamte während der Integrationszeit auf die Lichtsammelfläche 31 gefallene Lichtintensität ortsabhängig repräsentieren, werden über die Leitung 35 an den Rechner 37 ausgelesen.
Die vorangehend beschriebene Integrationszeit der Kamera von 15 msec wurde in dem Ausführungsbeispiel gewählt, um bei der gegebenen Laserleistung ein Bild guter Qualität zu erhalten. Je nach zur Verfügung stehender Laserenergie und anderen Randbedingungen können auch andere Integrationszeiten eingestellt werden.
Diese Daten repräsentieren damit die Summe aus drei verschiedenen Interferenzmustern, wobei das erste Interferenzmuster mit Strahlung der Frequenz f - Δf aufgenommen wurde, das zweite Interferenzmuster mit der Frequenz f aufgenommen wurde und das dritte Interferenzmuster mit der Frequenz f + Δf aufgenommen wurde. Bei der Integration der drei Interferenzmuster wird das mit der mittleren Frequenz f aufgenommene Interferenzmuster im Vergleich zu den bei den beiden anderen Frequenzen f - Δf, f + Δf aufgenommenen Interferenzmustern mit doppeltem Gewicht berücksichtigt.
Diese gewichtete Beleuchtung mit drei verschiedenen Frequenzen ist nochmals in den Fig. 2 und 3 erläuternd dargestellt. In Fig. 2 ist die spektrale Leistungsdichte in willkürlichen Einheiten in Abhängigkeit von der Wellenzahl k der Strahlung der Quelle 9 dargestellt. Es ist ersichtlich, daß die Beleuchtung mit den drei verschiedenen Frequenzen mit den relativen Gewichten 0,5, 1 und 0,5 erfolgt. Diese spektrale Leistungsdichteverteilung kann als Formel wie folgt dargestellt werden:
Hierbei ist
δ die Dirac'sche Deltafunktion,
k die Wellenzahl

k₀ die Ausgangswellenzahl

und
Δk die der Frequenzänderung Δf entsprechende Wellenzahländerung.
Im vorliegenden Fall wurde λ₀ = 632,8 nm gewählt. Auf diesen Wert der Wellenlänge ist die Strahlungsquelle 9 einstellbar, und diese Einstellung hat den Vorteil, daß für das Interferometersystem abgesehen von der Strahlungsquelle ein Aufbau und Komponenten gewählt werden können, wie sie von mit herkömmlichen He-Ne-Lasern betriebenen Interferometern her bekannt sind.
Es ergibt sich das Interferogramm als Fouriertransformierte der spektralen Leistungsdichte zu
Es ergibt sich somit für das Interferogramm eine Schwebungswellenzahl von Δk. Ein Verlauf der Funktion I(x) ist für einen beliebigen Punkt in dem Interferogramm in Fig. 4 schematisch dargestellt. Eine Einhüllende der gezeigten Kurven wird auch als Interferenzkontrast bzw. Modulation bezeichnet. Es ergibt sich somit, daß die Modulation in Abhängigkeit von der Entfernung von der Referenzfläche periodisch zu- und abnimmt, wobei für bestimmte Entfernungen die Modulation auf Null zurückgeht.
Ein vorteilhafter Betrieb des Interferometersystems 1 ist dann gegeben, wenn die reflektierenden Flächen 23, 5, 7 relativ zueinander so angeordnet werden, daß die durch den Abstand zwischen der zu vermessenden Fläche 5 und der Rückfläche 7 erzeugte optische Wegdifferenz 2.C₁ in etwa mit dem ersten Minimum der Modulation zusammenfällt, die durch den Abstand zwischen Referenzfläche 23 und der Rückfläche 7 der Platte 3 erzeugte Weglängendifferenz 2.C₂ in etwa mit dem zweiten Minimum der Modulation zusammenfällt und die durch den Abstand zwischen Referenzfläche 23 und zu vermessender Fläche 5 erzeugte Weglängendifferenz C₀ in etwa mit dem zweiten Maximum der Modulation zusammenfällt. Hierzu wird zunächst die Frequenzänderung Δf bzw. Wellenzahländerung Δk wie folgt ermittelt:
Es wird zunächst 1 + cosΔk.C₁ = 0 gesetzt, woraus sich Δk.C₁ = π ergibt. Da im vorliegenden Beispiel der Plattendicke C₁ = 214,139 mm angenommen ist, ergibt sich Δk = 14,67 m^-1. Sodann wird der Abstand der Platte 3 von der Referenzfläche 23 über den Antrieb 6 so eingestellt, daß sich Δk.C₂ = 3π ergibt. Hierbei ist anzumerken, daß die zuletzt genannte Bedingung mit lediglich vergleichsweise geringer Genauigkeit einzuhalten ist, da die Modulation gemäß Fig. 4 quadratische Minima aufweist und diese somit vergleichsweise unempfindlich gegenüber Änderungen der optischen Wegdifferenz sind.
Bei der beschriebenen Einstellung von Δk und dem Abstand der Rückfläche 7 von der Referenzfläche 23 ergibt sich dann automatisch die optische Weglängendifferenz 2.C₀ so, daß sie in etwa mit dem zweiten Maximum der Modulation gemäß Fig. 4 zusammenfällt.
Es werden somit die durch die Rückfläche 7 der Platte 3 hervorgerufenen Störinterferenzen durch die während der Integrationszeit der Kamera 33 durchgeführte gewichtete Mittelung wirksam herausgemittelt, so daß das durch Mittelung gewonnene Interferogramm, abgesehen von einem Gleichlichtanteil, lediglich ein Streifenmuster aufweist, wie es aus der Interferenz alleine der von der Referenzfläche 23 zurückgeworfenen Wellenfront mit der von der zu vermessenden Fläche 5 zurückgeworfenen Wellenfront entstehen würde. Dieses vergleichsweise einfache und ungestörte Interferenzmuster wird dann einem bekannten Auswerteverfahren für Streifenmuster unterworfen, um daraus die Topologie der zu vermessenden Fläche 5 zu bestimmen.
Der Betrieb des Interferometersystems 1 ist nicht darauf beschränkt, die Frequenz der Strahlungsquelle 9 mit dem in Fig. 3 gezeigten Zeitschema anzusteuern. Als Variante ist nachfolgend die Möglichkeit diskutiert, die Frequenz der Strahlungsquelle 9 mit einer sinusförmigen Zeitabhängigkeit zu ändern. Es sei hier zunächst für die Interferogrammintensität I angenommen:

I(x) = I₀.[1 + V.cos(k.x - Φ₀)], Gleichung (3)

wobei
k die Wellenzahl der Strahlung ist, die in dieser Formel näherungsweise als konstant angenommen werden kann,
x die optische Weglängendifferenz,
Φ₀ eine Interferogrammphase und
V ein Interferenzkontrast
ist.
Aufgrund der sinusförmigen Änderung der Frequenz ergibt sich die Interferogrammphase dann zu

Φ₀ = Φ₀(t) = Φ₀' + A.sinωt, Gleichung (4)

wobei
Φ₀' ein mittlerer Phasenwert,
ω die Winkelgeschwindigkeit der Phasenmodulation und
A eine Phasenmodulationsamplitude
ist. Eingesetzt in Gleichung (3) ergibt sich somit

I(x, t) = I₀.[1 + V.cos(k.x - Φ₀' - A.sinωt)]. Gleichung (5)
Die Modulationsperiode für die Frequenzänderung der Strahlung wird nun derart eingestellt, daß ein ganzzahliges Vielfaches hiervon der Integrationszeit der Kamera 33 entspricht. Das zeitlich gemittelte Interferogramm berechnet sich somit zu

wobei J₀(A) die Besselfunktion 0-ter Ordnung der Phasenmodulationsamplitude A ist. Diese Funktion ist in Fig. 5 dargestellt.
Es lassen sich nun Phasenmodulationsamplituden A finden, für die Interferenzen zwischen den von der zu vermessenden Fläche 5 und der Rückfläche 7 der Platte 3 zurückgeworfenen Wellenfronten verschwinden. Es muß die Frequenzmodulationsamplitude der Strahlungsquelle 9 somit so eingestellt werden, daß die Phasenmodulation für die optische Weglängendifferenz 2.C₁ der ersten Nullstelle der Besselfunktion aus Gleichung (6) entspricht. Dies ist der Fall für A₁ = 0,76547.π. Durch Ändern des Abstands zwischen der Referenzfläche 23 und der Platte 3 wird dann weiter erreicht, daß die optische Weglängendifferenz 2.C₂ dem zweiten Minimum der Besselfunktion der Gleichung (6) entspricht, was für A₂ = 1,7571.π der Fall ist. Das Verhältnis der optischen Wegdifferenzen ist somit gegeben durch die beiden ersten Nullstellen der Besselfunktion J₀(A)
Andererseits gilt C₀ = C₂- C₁, und für die zu vermessende Weglängendifferenz C₀ ergibt sich die Amplitude
An dieser Stelle hat die Besselfunktion J₀(A) den Wert
In dieser Anordnung interferieren drei Teilstrahlen mit in etwa gleicher Grundintensität, wobei jedoch in dem gewichtet gemittelten bwz. integrierten Interferogramm nur die Streifenmuster von zwei interferierenden Teilstrahlen sichtbar sind. Die übrigen Interferenzen mitteln sich heraus, bilden allerdings einen den Kontrast reduzierenden Gleichlichtanteil. Der effektive Kontrast rechnet sich zu
Dieser Kontrast ist ausreichend um die Lage der Streifen 40 zu bestimmen und aus der Auswertung des Streifenmusters auf die Topologie der zu vermessenden Fläche 5 schließen zu können. Es sei jedoch angemerkt, daß die Einstellung der Strahlungsfrequenz nach dem in Fig. 3 gezeigten Schema zu einem höheren effektiven Kontrast führt.
Es sei nun noch als weiteres Ausführungsbeispiel beispielhaft der Fall erläutert, daß die Strahlungsquelle 9 derart angesteuert wird, daß sie eine in Fig. 6 gezeigte gaußförmige spektrale Leistungsdichte

emittiert, wobei
k die Wellenzahl

k0 die Schwerpunktwellenzahl

und
σ die Breite der Gaußfunktion
ist.
Für diese spektrale Verteilung ist nun eine zeitabhängige Ansteuerfunktion für die Strahlungsfrequenz zu bestimmen. Hierbei ist der Zusammenhang

zu beachten. Diese Gleichung kann durch den Rechner 37 numerisch gelöst werden, um schließlich ein der Fig. 3 entsprechendes Zeitschema für die Ansteuerung der Strahlungsfrequenz zu erhalten.
Bei der spektralen Leistungsdichte gemäß Fig. 6 ergibt sich dann eine Abhängigkeit der Interferogrammintensität von der Weglängendifferenz, wie sie in Fig. 7 dargestellt ist. Hieraus ist ersichtlich, daß bei geringen Abständen von der Referenzfläche 23 hohe Interferenzkontraste erreichbar sind, während der Kontrast bei größeren Abständen der Referenzfläche 23 stark abfällt. Dieser Kontrastabfall ist so stark, daß bei Anordnung der Platte 3 dicht neben der Referenzfläche 23 durch die Rückseite 7 hervorgerufene Interferenzen sich weigehend herausmitteln und lediglich durch die zu vermessende Fläche 5 hervorgerufene Interferenzen zu dem Streifenmuster des gemittelten Interferogramms beitragen.
Dies entspricht einem Interferogramm mit einer Strahlung zeitlich konstanter Frequenz und einer reduzierten Kohärenzlänge, die kürzer ist als die optische Dicke C₁ der Platte 3. Die zeitabhängige Frequenzänderung einer Strahlungsquelle großer Kohärenzlänge hat somit eine Wirkung, die einer Reduzierung der zeitlichen Kohärenz für bestimmte Längen entspricht. Unter Bezugnahme auf Fig. 4 bedeutet dies, daß die zeitabhängige Frequenzänderung dazu geführt hat, daß in den Bereichen der Modulationsminima die Kohärenz der Strahlung zerstört wurde.
Nachfolgend werden weitere Varianten der in den Fig. 1 bis 7 erläuterten Ausführungsformen dargestellt. Hinsichtlich ihres Aufbaus und ihrer Funktion einander entsprechende Komponenten sind mit den Bezugszahlen aus den Fig. 1 bis 7 bezeichnet, zur Unterscheidung jedoch mit einem zusätzlichen Buchstaben versehen. Zur Erläuterung wird auf die gesamte vorangehende Beschreibung jeweils Bezug genommen.
Fig. 8 zeigt eine Teilansicht eines Interferometersystems 1a, welches ähnlich aufgebaut ist wie das in Fig. 1 gezeigte Interferometersystem. Allerdings dient das Interferometersystem 1a nicht zur Vermessung einer planparallelen Platte sondern einer konzentrischen Meniskuslinse 3a. Im Strahlengang nach einer Referenzplatte 21a mit einer Referenzfläche 23a ist ein Aplanar-Kollimator 51 mit einer Mehrzahl Linsen 52 bis 56 vorgesehen, welcher die parallele Strahlung 11"a in einem Punkt 57 fokussiert, der gleichzeitig Krümmungsmittelpunkt von Oberflächen 5a und 7a der konzentrischen Meniskuslinse 3a ist.
Das Interferometersystem 1a entspricht ansonsten dem in Fig. 1 gezeigten Interferometersystem und wird nach einem Verfahren betrieben, wie es im Zusammenhang mit dem Interferometersystem der Fig. 1 erläutert wurde. Dies heißt, es wird die Frequenz der Strahlungsquelle zeitabhängig so angesteuert, daß Störinterferenzen, die durch eine gerade nicht vermessene Oberfläche, insbesondere die Fläche 7a, der konzentrischen Meniskuslinse 3a oder aber durch andere optisch wirksame Komponenten im Strahlengang hervorgerufen werden, sich zeitlich weitgehend herausmitteln.
Es können die Flächen 5a und 7a der Meniskuslinse 3a auch vermessen werden, indem die Linse umgekehrt, das heißt mit ihrer konvexen Fläche 7a zu dem Kollimator 51 hinweisend, und vor dem Fokuspunkt 57 im Strahlengang positioniert wird.
Fig. 9 zeigt eine Variante des in Fig. 8 gezeigten Interferometersystems. Im Unterschied hierzu ist bei dem Interferometersystem 1b gemäß Fig. 9 eine Referenzfläche 23a jedoch nicht an einer separaten Referenzplatte sondern an einer präzise gefertigten, dem Prüfling zugewandten Fläche der Linse 56b eines Aplanar-Kollimators 51 vorgesehen. Auch das Interferometersystem 1b dient zur Vermessung einer konzentrischen Meniskuslinse.
Neben den vorangehend beschriebenen Zeitabhängigkeiten der Frequenz der Strahlungsquelle zur Erzeugung des Interferogramms können auch andere Zeitabhängigkeiten gewählt werden, welche sich als günstig erweisen. Wesentlich ist hierbei, daß sich Interferenzeffekte, die von Oberflächen hervorgerufen werden, die nicht vermessen werden sollen, sich zeitlich wenigstens teilweise herausmitteln.
Das Interferometersystem wurde vorangehend als ein Fizeau- Interferometer beschrieben. Es ist jedoch auch möglich, alternative Interferometertypen einzusetzen, etwa einen Michelson-Interferometeraufbau oder einen Twyman-Green-Interferometeraufbau.
In den vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispielen wurde als Integrator zur gewichteten Mittelung der bei verschiedenen Beleuchtungsfrequenzen erzeugten Interferenzmuster die CCD-Kamera eingesetzt. Es ist jedoch auch möglich, andere Kameratypen einzusetzen, welche eine Integrationszeit aufweisen, auf die die Sequenz der zeitlich nacheinander eingestellten Beleuchtungsfrequenzen abgestimmt ist. Ferner ist es möglich, für mehrere Beleuchtungsfrequenzen separate Kamerabilder zu erzeugen, diese dem Rechner zuzuführen und die Integration bzw. gewichtete Mittelung im Rechner Pixel für Pixel durchzuführen. Als Pixel sei im Rahmen dieser Anmeldung eine Auflösungseinheit des digitalisierten Interferenzbildes verstanden, welche unter anderem durch das Kamerasystem gegeben ist. Die Mittelung im Rechner kann hierbei auch für Gruppen von Pixeln, das heißt mit einer Auflösung, die geringer ist als die Kameraauflösung, durchgeführt werden.
Das vorangehend beschriebene Interferometersystem und das Verfahren zum Aufnehmen des Interferogramms wird vorteilhafterweise eingesetzt in einem Verfahren zur Bereitstellung eines Objekts bzw. in einem Verfahren zum Herstellen eines Objekts mit einer vorbestimmten Soll-Oberfläche.
Soll beispielsweise die im Zusammenhang mit Fig. 1 erläuterte planparallele Platte hochpräzise gefertigt werden, so wird diese im Strahlengang des Interferometersystems plaziert und ein Interferogramm nach dem vorangehend beschriebenen Verfahren aufgenommen. Aus dem Interferogramm werden Abweichungen der Fläche 5 von der planen Soll-Gestalt ermittelt. Aus diesen Abweichungen wird eine Nachbearbeitung geplant. Insbesondere werden aus diesen Abweichungen Orte auf der Oberfläche 5 bestimmt, an denen eine Nachbearbeitung, insbesondere durch weiteren Materialabtrag, erfolgen soll. Nach Vornahme der Nachbearbeitung wird gegebenenfalls erneut ein Interferogramm aufgenommen und gegebenenfalls werden weitere Nachbearbeitungen vorgenommen. Ergibt sich aus dem aufgenommenen Interferogramm, daß Abweichungen zwischen der Gestalt der Oberfläche 5 und der planen Soll-Gestalt geringer als ein vorbestimmtes Maß sind, so wird die Platte bereitgestellt bzw. ausgeliefert.
Dieses Bereitstellungs- bzw. Herstellungsverfahren kann auf jegliches anderes Objekt angewendet werden, welches eine vorbestimmte Oberfläche aufweisen soll. Vorangehend wurde bereits die Anwendung auf eine konzentrische Meniskuslinse erläutert. Es sind jedoch auch Anwendungen auf jegliche andere Objekte denkbar.

Claims

1. Interferometersystem, umfassend:
eine Referenzfläche (23),
eine Halterung für ein eine Objektfläche (5) bereitstellendes Objekt (7),
eine Strahlungsquelle (9) zur Emission von Strahlung einer einstellbaren Frequenz auf die Referenzfläche (23) und die Objektfläche (5), und
einen ortsauflösenden Strahlungsdetektor (31),
wobei die Strahlungsquelle (9), die Referenzfläche (23), die Halterung und der Strahlungsdetektor (31) derart angeordnet sind, daß sich ein von der Referenzfläche (23) reflektiertes Referenzwellenfeld mit einem von Objektfläche (5) reflektierten Objektwellenfeld zu einem auf den Strahlungsdetektor (31) abgebildeten Interferenzmuster mit ortsabhängiger Intensitätsverteilung überlagern,
wobei eine Störinterferenz-Fläche (7) vorgesehen ist, die gemeinsam mit der Referenzfläche (23) oder/und der Objektfläche (5) von der Strahlungsquelle (9) bestrahlt ist, und
wobei das Interferometersystem ferner eine Steuerung (37, 41) zum Einstellen einer Mehrzahl verschiedener Frequenzen (f, f + Δf, f - Δf) der von der Strahlungsquelle (9) emittierten Strahlung umfaßt, gekennzeichnet durch einen Integrator (33), um die bei verschiedenen Frequenzen auf dem Strahlungsdetektor (31) überlagerten Interferenzmuster ortsabhängig zu mitteln.

2. Interferometersystem nach Anspruch 1, wobei der Strahlungsdetektor (31) durch eine CCD-Kamera (33) bereitgestellt ist.

3. Interferometersystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Integrator durch den Strahlungsdetektor (31) gebildet ist.

4. Interferometersystem nach Anspruch 3, wobei die Steuerung (41, 37) mehrere, insbesondere sämtliche, der verschiedenen Frequenzen zeitlich nacheinander während einer Zeitdauer einstellt, die einer Integrationszeit des Detektors (33) entspricht.

5. Verfahren zum Aufnehmen eines Interferogramms, umfassend:
Beleuchten einer Referenzfläche (23) und einer Objektfläche (5) mit kohärenter Strahlung vorbestimmter Frequenz,
Überlagern eines von der Referenzfläche (23) reflektierten Referenzwellenfeldes und eines von der Objektfläche (5) reflektierten Objektwellenfeldes derart, daß auf einem Schirm (31) ein Interferenzmuster mit ortsabhängiger Strahlungsintensitätsverteilung entsteht,
wobei das Beleuchten nacheinander mit einer Mehrzahl verschiedener Strahlungsfrequenzen (f, f + Δf, f - Δf) erfolgt, so daß auf dem Schirm nacheinander den verschiedenen Strahlungsfrequenzen jeweils zugeordnete Interferenzmuster entstehen, und
wobei das Interferogramm dadurch gebildet wird, daß für einen jeden Ort des Interferogramms Intensitäten der Mehrzahl Interferenzmuster an dem entsprechenden Ort gewichtet gemittelt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Gewichte für das gewichtete Mitteln durch Einstellen von Zeitdauern der Beleuchtungen mit den jeweils verschiedenen Strahlungsfrequenzen eingestellt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei mit Abstand von der Objektfläche (5) oder/und mit Abstand (C₂) von der Referenzfläche (23) eine Störinterferenz-Fläche (7) angeordnet ist, die gemeinsam mit der Objektfläche (5) bzw. der Referenzfläche (23) beleuchtet wird, und wobei Werte der verschiedenen Strahlungsfrequenzen oder/und Werte der Gewichte für das gewichtete Mitteln in Abhängigkeit von dem Abstand eingestellt werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei zwischen einem optischen Weg von der Referenzfläche (23) zu dem Detektor (31) und einem optischen Weg von der Objektoberfläche (5) zu dem Detektor (31) eine erste Weglängendifferenz (C₀) besteht,
wobei zwischen einem optischen Weg von der Referenzfläche (23) zu dem Detektor (31) und einem optischen Weg von der Störinterferenz-Fläche (7) zu dem Detektor (31) eine zweite Weglängendifferenz (C₂) besteht,
wobei eine dritte Differenz (C₁) zwischen der ersten und der zweiten Weglängendifferenz besteht,
wobei das Beleuchten mit drei verschiedenen Strahlungsfrequenzen erfolgt, nämlich einer mittleren Frequenz (f), einer höheren Frequenz (f + Δf) und einer niedrigeren Frequenz (f - Δf), wobei die drei Frequenzen paarweise voneinander einen Frequenzabstand (Δf) aufweisen,
wobei der Frequenzabstand (Δf) derart eingestellt wird, daß die Gleichung
Δk.C₁ = π
erfüllt ist, wobei Δk die dem Frequenzabstand (Δf) entsprechende Wellenzahländerung ist,
wobei der Abstand zwischen der Störinterferenz-Fläche und dem Detektor derart eingestellt wird, daß die Gleichung
Δk.C₂ = 3π
erfüllt ist, und wobei bei der Wichtung das der niedrigen Frequenz zugeordnete Interferenzmuster und das der höheren Frequenz zugeordnete Interferenzmuster einem jeweils einfachen Gewicht und das der mittleren Frequenz zugeordnete Interferenzmuster mit einem doppelten Gewicht berücksichtigt werden.

9. Verfahren zum Bereitstellen eines Objekts (3) mit einer Soll-Oberfläche, umfassend die Schritte:

- Aufnehmen eines Interferogramms mit dem Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei das Objekt (3) die Objektfläche (5) bereitstellt,

- Auswerten des Interferogramms und Bestimmen von Abweichungen zwischen der Objektfläche und der Soll- Oberfläche in Abhängigkeit von dem Interferogramm,

- Bereitstellen des Objekts, wenn die Abweichungen kleiner sind als ein vorbestimmter Schwellenwert und

- Nicht-Bereitstellen des Objekts, wenn die Abweichungen größer sind, als der vorbestimmte Schwellenwert.

10. Verfahren zum Herstellen eines Objekts mit einer Soll- Oberfläche, umfassend die Schritte:

- Aufnehmen eines Interferogramms mit dem Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei das Objekt die Objektfläche bereitstellt,

- Abtragen von Oberflächenbereichen des Objekts an Orten, welche in Abhängigkeit von den Abweichungen zwischen Objektoberfläche und Soll-Oberfläche bestimmt werden, um die Objektoberfläche des Körpers der Soll-Oberfläche anzupassen.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei der herzustellende Körper eine transparente planparallele Platte oder eine konzentrische Meniskuslinse ist.