DE10195052B3

DE10195052B3 - Verfahren und Einrichtungen zur Bestimmung einer geometrischen Eigenschaft eines Versuchsgegenstands sowie optisches Profilmesssystem

Info

Publication number: DE10195052B3
Application number: DE10195052.7T
Authority: DE
Inventors: Peter de Groot; Xavier Colonna De Lega; David Grigg; James Biegen; Leslie L. Deck; James W. Kramer
Original assignee: Zygo Corp
Current assignee: Zygo Corp
Priority date: 2000-01-25
Filing date: 2001-01-25
Publication date: 2015-06-18
Anticipated expiration: 2021-01-26
Also published as: JP5032680B2; AU2001260975A1; JP2003522939A; WO2001059402A2; WO2001059402A3; US6822745B2; US20010043333A1; JP2011107168A; DE10195052T1; JP5112588B2

Abstract

Verfahren zur Bestimmung einer geometrischen Eigenschaft eines Versuchsgegenstands, wobei das Verfahren umfaßt: interferometrische Profilmessung einer ersten Oberfläche eines Versuchsgegenstands in Bezug auf eine erste Bezugsoberfläche; interferometrische Profilmessung einer zweiten Oberfläche des Versuchsgegenstands in einem zweiten Koordinatensystem in Bezug auf eine zweite Bezugsoberfläche, die von der ersten Bezugsoberfläche verschieden ist; Bereitstellung einer räumlichen Beziehung zwischen der ersten und der zweiten Bezugsoberfläche; und Berechnen der geometrischen Eigenschaft auf der Grundlage der Oberflächen, bei denen eine interferometrische Profilmessung durchgeführt wurde, und der räumlichen Beziehung zwischen der ersten und der zweiten Bezugsoberfläche, wobei die erste und die zweite Oberfläche entgegengesetzten Außenflächen des Versuchsgegenstands entsprechen, benachbarten Außenflächen entsprechen, die durch eine Stufenhöhe getrennt sind, oder nominell nicht parallel sind.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft optische Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung und/oder Überprüfung der geometrischen Abmessungen von Präzisionsteilen.
Die Herstellung von Präzisionsteilen wird von Standardpraxis beim geometrischen Dimensionieren und der Toleranzeintragung (GD&T) beherrscht. Metrologie für GD&T erfordert eine exakte Bestimmung der Oberflächenform sowie von Beziehungen zwischen Teiloberflächen. Die Metrologie muß exakt sein, und. internationalen Standards entsprechen, und beansprucht vorzugsweise nicht mehr als wenige Sekunden. Interessierende Oberflächenformen umfassen, zum Beispiel, gegenüberliegende planparallele Oberflächen, orthogonale ebene Oberflächen, und zusammenhängende ebene, zylindrische und kugelförmige Oberflächen, und Bauteiloberflächen einer Anordnung.
Die US 5,987,189 A beschreibt ein Verfahren zum Kombinieren von Höhenprofilen von benachbarten Bereichen einer Testoberfläche zur Erzeugung eines Verbundprofils der Oberfläche. Weitere kontaktfreie Messverfahren werden in der US 5,960,379 A , der DE 44 04 663 A1 , der EP 0 895 096 A2 , der US 5,390,023 A und der WO 97/27468 A1 beschrieben.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung umfaßt optische Systeme und Verfahren, die Absolutpositionen von Punkten auf potentiell unzusammenhängenden Oberflächen auf einem Versuchsteil in Bezug auf ein gemeinsames Referenzsystem bestimmen. Derartige Systeme und Verfahren ermöglichen es einem Benutzer, beispielsweise zu überprüfen, dass der Ort, die relative Orientierung, und die Form von Teilmerkmalen Spezifikationen entsprechen.
Die Erfindung umfaßt ein optisches System, das ein oder mehrere optische Profilmeßgeräte aufweist, die dazu ausgebildet sind, ein Versuchsteil aus unterschiedlichen Perspektiven zu betrachten. Jedes Profilmeßgerät kann Absolutpositionen von Oberflächenpunkten in drei Dimensionen in Bezug auf ein Koordinatensystem messen, das für jedes Profilmeßgerät lokal ist. Die Erfindung umfaßt weiterhin Initialisierungs- und Kalibrierungsprozeduren, um die Koordinatensysteme jedes Profilmeßgerätes zu den anderen in Beziehung zu setzen, um so jede gemessene Oberflächenposition zu allen anderen in Beziehung zu setzen. Derartige Prozeduren können beispielsweise mechanische Standard-Artefakte oder ein Entfernungsmeßlaserinterferometer einsetzen, um Information in Bezug auf die Trennung und die relative Orientierung der beiden entsprechenden Koordinatensysteme der optischen Profilmeßgeräte zur Verfügung zu stellen. Geeignete optische Profilmeßgeräte umfassen Triangulierungssysteme, Flugzeitsysteme, und optische Interferometer, beispielsweise Höhenabtastinterferometer, die mechanische oder entsprechende Abtastungen senkrecht zur Oberfläche einsetzen, um ein lokalisiertes (beispielsweise Kohärenz-begrenztes) Interferenzmuster für jeden Bildpixel zu erhalten. Wie nachstehend noch genauer erläutert wird, können Höhenabtastinterferometer, welche Infrarotquellen verwenden, besonders vorteilhaft sein, wenn mit Versuchsteilen gearbeitet wird, die relativ rauhe Oberflächen aufweisen.
Allgemein umfaßt bei einem Aspekt die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung einer geometrischen Eigenschaft eines Versuchsgegenstands. Das Verfahren umfaßt: interferometrische Profilmessung einer ersten Oberfläche des Versuchsgegenstand in Bezug auf eine erste Bezugsoberfläche; interferometrische Profilmessung einer zweiten Oberfläche des Versuchsgegenstands in einem zweiten Koordinatensystem in Bezug auf eine zweite Bezugsoberfläche, die von der ersten Bezugsoberfläche verschieden ist; Bereitstellung einer räumlichen Beziehung zwischen der ersten und der zweiten Bezugsoberfläche; und Berechnung der geometrischen Eigenschaft auf der Grundlage der Oberflächen, deren Profil interferometrisch gemessen wurde, und der räumlichen Beziehung zwischen der ersten und der zweiten Bezugsoberfläche.
Erfindungsgemäß sind die erste und die zweite Oberfläche gegenüberliegende Außenflächen, oder sind die erste und die zweite Oberfläche benachbarte Außenflächen, die durch eine Stufenhöhe getrennt sind, oder sind die erste und die zweite Oberfläche nominell nicht parallel.
Ausführungsformen des Verfahrens können irgendeines der folgenden Merkmale aufweisen.
Die interferometrische Profilmessung der ersten Oberfläche kann eine Entfernung zu jedem von mehreren Punkten auf der ersten Oberfläche von einem entsprechenden Punkt auf der ersten Bezugsoberfläche zur Verfügung stellen. Entsprechend kann die interferometrische Profilmessung der zweiten Oberfläche eine Entfernung zu jedem von mehreren Punkten auf der ersten Oberfläche von einem entsprechenden Punkt auf der ersten Bezugsoberfläche zur Verfügung stellen.
Eine oder beide der Bezugsoberflächen kann ein Abschnitt einer Ebene sein, eine gekrümmte Oberfläche, oder ein strukturiertes Profil aufweisen.
Die erste Oberfläche des Versuchsgegenstands kann von der zweiten Oberfläche beabstandet sein. Die erste und die zweite Oberfläche können benachbarten Außenflächen des Versuchsgegenstands entsprechen. Die erste und die zweite Oberfläche können gegeneinander um eine Entfernung verschoben sein, die größer ist als ein Bereich der interferometrischen Profilmessung der ersten Oberfläche, und größer als ein Bereich der interferometrischen Profilmessung der zweiten Oberfläche.
Die interferometrische Profilmessung der ersten Oberfläche kann umfassen, elektromagnetische Strahlung zur ersten Oberfläche entlang einer ersten Richtung zu richten, und die interferometrische Profilmessung der zweiten Oberfläche umfaßt das Richten elektromagnetischer Strahlung zur zweiten Oberfläche entlang einer zweiten Richtung, die von der ersten Richtung verschieden ist. Die interferometrische Profilmessung der ersten Oberfläche kann das Positionieren des Versuchsgegenstands relativ zu einem Interferometersystem umfassen, und die interferometrische Profilmessung der zweiten Oberfläche umfaßt die erneute Positionierung des Versuchsgegenstands relativ zumindest zu einem Bauteil des Interferometersystems. So kann beispielsweise die erneute Positionierung des Versuchsgegenstands relativ zum Interferometersystem umfassen, den Versuchsgegenstand zu bewegen, oder das zumindest eine Bauteil des Interferometersystems zu bewegen. Im letztgenannten Fall kann das Verfahren weiterhin umfassen, die Bewegung des zumindest einen Bauteils des Interferometersystems zu messen, um die räumliche Beziehung zwischen der ersten und der zweiten Bezugsoberfläche zu bestimmen.
Die Beziehung zwischen der ersten und der zweiten Bezugsoberfläche kann durch eine Entfernung zwischen entsprechenden Referenzpunkten auf der ersten und zweiten Bezugsoberfläche und zwei Winkel festgelegt sein, die eine relative Orientierung der ersten und zweiten Bezugsoberfläche festlegen.
Das Verfahren kann weiterhin umfassen, die räumliche Beziehung zwischen der ersten und zweiten Bezugsoberfläche zu bestimmen.
Zum Beispiel kann die Bestimmung der Beziehung zwischen dem ersten und dem zweiten Koordinatensystem umfassen: interferometrische Profilmessung einer ersten Oberfläche eines Referenzgegenstands in Bezug auf die erste Bezugsoberfläche; interferometrische Profilmessung einer zweiten Oberfläche des Referenzgegenstands in Bezug auf das zweite Koordinatensystem; Bereitstellung zumindest einer kalibrierten Abmessung für den Referenzgegenstand; und Berechnung der räumlichen Beziehung zwischen der ersten und der zweiten Bezugsoberfläche auf der Grundlage der Oberflächen, bei denen die Profilmessung erfolgte, und der zumindest einen kalibrierten Abmessung. Der Referenzgegenstand kann entsprechend annähernden Abmessungen des Versuchsgegenstands ausgewählt werden.
Das Verfahren kann weiterhin umfassen, die räumliche Beziehung zwischen der ersten und der zweiten Bezugsoberfläche zu bestimmen, auf der Grundlage zumindest einer interferometrischen Verschiebungsmessung. Zum Beispiel kann die räumliche Beziehung auf der Grundlage der zumindest einen interferometrischen Entfernungsmessung und einer ursprünglichen Kalibrierung bestimmt werden. Das Verfahren kann weiterhin umfassen, zumindest entweder die erste oder die zweite Bezugsoberfläche einzustellen, um die interferometrische Profilmessung der ersten und zweiten Oberfläche des Versuchsgegenstands zu gestatten, und die interferometrische Messung der Einstellung zumindest entweder der ersten oder der zweiten Bezugsoberfläche, um die räumliche Beziehung zwischen der ersten und der zweiten Bezugsoberfläche zu bestimmen.
Die räumliche Beziehung kann auch folgendermaßen bestimmt werden: durch interferometrische Profilmessung einer ersten Oberfläche eines Initialisierungs-Artefakts in Bezug auf die erste Bezugsoberfläche; durch interferometrische Profilmessung einer zweiten Oberfläche des Initialisierungs-Artefakts in Bezug auf die zweite Bezugsoberfläche; durch Berechnung einer ursprünglichen, räumlichen Beziehung zwischen der ersten und der zweiten Bezugsoberfläche auf der Grundlage zumindest der Oberflächen, deren Profil gemessen wurde, des Initialisierungs-Artefakts; durch Einstellung der ersten und der zweiten Bezugsoberfläche, um die erste und die zweite Oberfläche des Versuchsgegenstands aufzunehmen; und durch interferometrische Messung zumindest einer Verschiebung entsprechend der Einstellung der ersten und der zweiten Bezugsoberfläche. Zum Beispiel kann die erste und zweite Oberfläche des Initialisierungs-Artefakts die Vorderseite bzw. Hinterseite einer gemeinsamen Grenzfläche sein. Weiterhin kann das Verfahren zumindest eine kalibrierte Abmessung für das Initialisierungs-Artefakt zur Verfügung stellen, und kann die Berechnung der ursprünglichen Beziehung auf der Grundlage der Oberflächen, deren Profil gemessen wurde, des Initialisierungs-Artefakts und der zumindest einen kalibrierten Abmessung erfolgen.
Die geometrische Eigenschaft kann irgendeine der folgenden Eigenschaften sein: Ebenheit des Versuchsgegenstands; Dicke des Versuchsgegenstands; Parallelität des Versuchsgegenstands; eine Stufenhöhe; die Winkelorientierung der ersten Oberfläche relativ zur zweiten Oberfläche (also rechter Winkel zwischen der ersten und der zweiten Oberfläche); und Rundheit des Versuchsgegenstands. Häufig wird die geometrische Eigenschaft durch Positionen in einem gemeinsamen Koordinatensystem von mehreren Punkten auf der ersten Oberfläche und von mehreren Punkten auf der zweiten Oberfläche festgelegt.
Die interferometrische Profilmessung zumindest entweder der ersten oder der zweiten Oberfläche kann umfassen: Durchführung einer Abtast-Weißlicht-Interferometrie; Durchführung einer Infrarot-Abtast-Interferometrie; Durchführung einer Abtast-MESA-Interferometrie; Durchführung einer Abtast-Interferometrie mit streifendem Einfall; und Durchführung einer Mehrfachwellenlängen-Interferometrie.
Der Versuchsgegenstand kann auch teilweise transparent sein, und die geometrische Eigenschaft kann die Positionen von Punkten auf gegenüberliegenden Seiten des teilweise transparenten Versuchsgegenstands betreffen. Bei der ersten und der zweiten Oberfläche des Versuchsgegenstands kann eine interferometrische Profilmessung von einer gemeinsamen Seite aus vorgenommen werden, und die erste und die zweite Bezugsoberfläche können voneinander um eine Entfernung beabstandet sein, die größer ist als ein Profilmeßbereich η eines Interferometersystems, das für die Schritte der interferometrischen Profilmessung verwendet wird. Weiterhin kann das Interferometersystem, das für die Schritte der interferometrischen Profilmessung verwendet wird, einen Referenzgegenstand aufweisen, der eine teilreflektierende, erste Oberfläche und eine reflektierende, zweite Oberfläche aufweist, wobei die erste Oberfläche die erste Bezugsoberfläche festlegt, und die zweite Oberfläche die zweite Bezugsoberfläche festlegt. Die räumliche Beziehung kann durch die räumliche Trennung zwischen der ersten und der zweiten Oberfläche des Referenzgegenstands definiert werden.
Im allgemeinen betrifft, bei einem anderen Aspekt, die Erfindung eine Einrichtung zur Bestimmung einer geometrischen Eigenschaft eines Versuchsgegenstands. Die Einrichtung umfaßt: eine Vorrichtung zur interferometrischen Profilmessung einer ersten Oberfläche des Versuchsgegenstands in Bezug auf eine erste Bezugsoberfläche; eine Vorrichtung zur interferometrischen Profilmessung einer zweiten Oberfläche des Versuchsgegenstands in Bezug auf eine zweite Bezugsoberfläche, die von dem ersten Bezugssystem verschieden ist; und eine Vorrichtung zur Berechnung der geometrischen Eigenschaft auf der Grundlage der Oberflächen, deren Profil interferometrisch gemessen wurde, und einer räumlichen Beziehung zwischen der ersten und der zweiten Bezugsoberfläche.
Erfindungsgemäß sind die erste und die zweite Oberfläche gegenüberliegende Außenflächen, oder sind die erste und die zweite Oberfläche benachbarte Außenflächen, die durch eine Stufenhöhe getrennt sind, oder sind die erste und die zweite Oberfläche nominell nicht parallel.
Die Einrichtung kann weiterhin eine Vorrichtung zur Bestimmung der räumlichen Beziehung zwischen der ersten und der zweiten Bezugsoberfläche aufweisen.
Im allgemeinen betrifft, bei einem anderen Aspekt, die Erfindung eine Einrichtung zur Bestimmung einer geometrischen Eigenschaft eines Versuchsgegenstands. Die Einrichtung umfaßt: ein interferometrisches Profilmeßsystem, das im Betrieb eine interferometrische Profilmessung einer ersten Oberfläche des Versuchsgegenstands in Bezug auf eine erste Bezugsoberfläche durchführt, und eine interferometrische Profilmessung einer zweiten Oberfläche des Versuchsgegenstands in Bezug auf eine zweite Bezugsoberfläche durchführt, die von der ersten Bezugsoberfläche verschieden ist; und einen elektronischen Prozessor, der mit dem interferometrischen Profilmeßsystem gekuppelt ist, wobei im Betrieb der elektronische Prozessor die geometrische Eigenschaft berechnet, auf der Grundlage der Oberflächen, deren Profil interferometrisch gemessen wurde, und einer räumlichen Beziehung zwischen der ersten und der zweiten Bezugsoberfläche.
Erfindungsgemäß sind die erste und die zweite Oberfläche gegenüberliegende Außenflächen, oder sind die erste und die zweite Oberfläche benachbarte Außenflächen, die durch eine Stufenhöhe getrennt sind, oder sind die erste und die zweite Oberfläche nominell nicht parallel.
Ausführungsformen der Einrichtung können jedes der voranstehenden Merkmale enthalten, die in Bezug auf das Verfahren voranstehend beschrieben wurden, sowie jedes der folgenden Merkmale.
Das interferometrische Profilmeßsystem kann eine Halterung zum Haltern des Versuchsgegenstands aufweisen, wobei die Halterung zwischen einer ersten Position zum Freilegen der ersten Oberfläche des Versuchsgegenstands und zur Festlegung der Bezugsoberfläche und einer zweiten Position zum Freilegen der zweiten Oberfläche des Versuchsgegenstands und zur Festlegung der zweiten Bezugsoberfläche einstellbar ist.
Das erfindungsgemäße interferometrische Profilmeßsystem weist ein interferometrisches optisches Profilmeßgerät auf, das eine erste Betrachtungsöffnung zur Betrachtung der ersten Oberfläche des Versuchsgegenstands und eine zweite Betrachtungsöffnung zur Betrachtung der zweiten Oberfläche des Versuchsgegenstands aufweist. Zum Beispiel kann das optische Profilmeßgerät eine erste Kamera aufweisen, die so angeordnet ist, dass sie ein Sehfeld für die erste Betrachtungsöffnung aufzeichnet, sowie eine zweite Kamera, die so angeordnet ist, dass sie ein Sehfeld für die zweite Betrachtungsöffnung aufzeichnet. Alternativ kann das optische Profilmeßgerät eine Kamera aufweisen, die so angeordnet ist, dass sie ein gespaltenes Sehfeld für die erste und die zweite Betrachtungsöffnung aufzeichnet. Das optische Profilmeßgerät kann zumindest eine Quelle elektromagnetischer Strahlung aufweisen. Das optische Profilmeßgerät kann weiterhin eine erste Optik aufweisen, die so angeordnet ist, dass sie einen ersten Anteil der elektromagnetischen Strahlung zur ersten Betrachtungsöffnung richtet, und einen zweiten Anteil der elektromagnetischen Strahlung zur zweiten Betrachtungsöffnung. Die erste Optik kann beispielsweise eine Strahlteileroptik sein, die so angeordnet ist, dass sie den ersten Anteil der elektromagnetischen Strahlung zur ersten Betrachtungsöffnung reflektiert, den zweiten Anteil der elektromagnetischen Strahlung zur zweiten Betrachtungsöffnung reflektiert, und zumindest einen zusätzlichen Anteil der einfallenden elektromagnetischen Strahlung durch die Strahlteileroptik durchläßt. Das optische Profilmeßgerät kann weiterhin eine reflektierende Referenzoberfläche aufweisen, die so angeordnet ist, dass sie zumindest einen zusätzlichen Anteil der einfallenden elektromagnetischen Strahlung empfängt, die durch die Strahlteileroptik hindurchgelassen wurde. Weiterhin kann das optische Profilmeßgerät einen Wandler aufweisen, der mit der reflektierenden Referenzoberfläche gekuppelt ist, um die Position der reflektierenden Referenzoberfläche abzutasten.
Das optische Profilmeßgerät kann eine erste Betrachtungsöffnungsoptik aufweisen, die durch eine erste bewegliche Stufe gehaltert wird, wobei die erste Betrachtungsöffnungsoptik so angeordnet ist, dass sie zumindest einen Teil des ersten Anteils der elektromagnetischen Strahlung zur ersten Oberfläche des Versuchsgegenstands richtet, und die erste bewegliche Stufe so einstellbar ist, dass sie die interferometrische Profilmessung der ersten Oberfläche des Versuchsgegenstands gestattet. Weiterhin kann das optische Profilmeßgerät eine zweite Betrachtungsöffnungsoptik aufweisen, die von einer zweiten beweglichen Stufe gehaltert wird, wobei die zweite Betrachtungsöffnungsoptik so angeordnet ist, dass sie zumindest einen Teil des zweiten Anteils der elektromagnetischen Strahlung auf die zweite Oberfläche des Versuchsgegenstands richtet, und die zweite bewegliche Stufe einstellbar ist, um die interferometrische Profilmessung der zweiten Oberfläche des Versuchsgegenstandes zu gestatten. Die erste reflektierende Optik kann beispielsweise ein Dachspiegel sein. Das optische Profilmeßgerät kann weiterhin einen ersten gefalteten Spiegel aufweisen, um den zumindest einen Teil des ersten Anteils der elektromagnetischen Strahlung auf die erste Oberfläche des Versuchsgegenstands zu richten. Die Einrichtung kann auch ein Verschiebungsmeßinterferometer aufweisen, das so angeordnet ist, dass es Änderungen der räumlichen Beziehung zwischen der ersten und der zweiten Bezugsoberfläche mißt, die durch zumindest entweder eine Einstellung bei der ersten beweglichen Stufe oder eine Einstellung bei der zweiten beweglichen Stufe hervorgerufen werden.
Das interferometrische Profilmeßsystem kann ein erstes interferometrisches optisches Profilmeßgerät zur Betrachtung der ersten Oberfläche des Versuchsgegenstands und ein zweites interferometrisches optisches Profilmeßgerät zur Betrachtung der zweiten Oberfläche des Versuchsgegenstands aufweisen. Zum Beispiel kann das erste optische Profilmeßgerät relativ zum zweiten optischen Profilmeßgerät beweglich sein, um die räumliche Beziehung zwischen der ersten und der zweiten Bezugsoberfläche einzustellen. Weiterhin kann die Einrichtung ein Verschiebungsmeßinterferometer aufweisen, das so angeordnet ist, dass es Änderungen der räumlichen Beziehung zwischen der ersten und der zweiten Bezugsoberfläche mißt, die durch eine Relativbewegung des ersten und des zweiten optischen Profilmeßgeräts hervorgerufen werden.
Das interferometrische Profilmeßsystem kann auch eine bewegliche Stufe aufweisen, die von einer ersten Position, welche die erste Bezugsoberfläche festlegt, zu einer zweiten Position einstellbar ist, welche die zweite Bezugsoberfläche festlegt.
Die Einrichtung kann weiterhin einen Meßgegenstand aufweisen, der eine erste und eine zweite Oberfläche aufweist, wobei die erste Oberfläche so angeordnet ist, dass bei ihr eine Profilmessung durch das interferometrische Profilmeßsystem in Bezug auf die erste Bezugsoberfläche durchgeführt wird, und die zweite Oberfläche so angeordnet ist, dass bei ihr eine Profilmessung durch das interferometrische Profilmeßsystem in Bezug auf die zweite Bezugsoberfläche vorgenommen wird. Bei derartigen Ausführungsformen kann der elektrische Prozessor die räumliche Beziehung zwischen der ersten und der zweiten Bezugsoberfläche auf der Grundlage der interferometrischen Profilmessungen der ersten und zweiten Oberfläche des Meßgegenstands bestimmen, die durch das erste und zweite optische Profilmeßgerät zur Verfügung gestellt werden, und, falls erforderlich, auf der Grundlage zumindest einer kalibrierten Abmessung für den Meßgegenstand. Weiterhin kann bei einigen Ausführungsformen der Meßgegenstand so angeordnet sein, dass er im Sehfeld des interferometrischen Profilmeßsystems während der interferometrischen Profilmessung des Versuchsgegenstandes liegt.
Die Einrichtung kann weiterhin ein Verschiebungsmeßinterferometer aufweisen, das so angeordnet ist, dass es die räumliche Beziehung zwischen der ersten und der zweiten Bezugsoberfläche mißt.
Der elektronische Prozessor kann zumindest einen Wert verwenden, der die PCOR-Dispersion in dem interferometrischen Profilmeßsystem und dem Versuchsgegenstand anzeigt, um die geometrische Eigenschaft zu berechnen.
Allgemein betrifft, bei einem anderen Aspekt, die Erfindung eine Einrichtung zur Bestimmung einer geometrischen Eigenschaft eines Versuchsgegenstands. Die Einrichtung umfaßt: ein interferometrisches Profilmeßsystem, das im Betrieb eine interferometrische Profilmessung einer ersten Oberfläche des Versuchsgegenstands in Bezug auf eine erste Bezugsoberfläche durchführt, und eine interferometrische Profilmessung einer zweiten Oberfläche des Versuchsgegenstands in Bezug auf eine zweite Bezugsoberfläche durchführt, wobei das interferometrische Profilmeßsystem zumindest eine bewegliche Stufe aufweist, um die Position der ersten Bezugsoberfläche und der zweiten Bezugsoberfläche einzustellen; ein Verschiebungsmeßinterferometer, das so angeordnet ist, dass es eine Änderung der Relativposition der ersten und zweiten Bezugsoberfläche mißt, die durch eine Einstellung bei der zumindest einen beweglichen Stufe hervorgerufen wird; und einen elektronischen Prozessor, der mit dem interferometrischen Profilmeßsystem und dem Verschiebungsmeßinterferometer gekuppelt ist, wobei im Betrieb der elektronische Prozessor die geometrische Eigenschaft auf der Grundlage der Oberflächen, bei denen eine interferometrische Profilmessung durchgeführt wurde, und der Relativposition der ersten und zweiten Bezugsoberflächen berechnet.
Ausführungsformen bei diesem Aspekt können jedes der folgenden Merkmale enthalten.
Das interferometrische Profilmeßsystem kann eine zweite beweglich Stufe aufweisen, und während des Betriebes stellt die erstgenannte bewegliche Stufe die Position der ersten Bezugsoberfläche ein, und stellt die zweite bewegliche Stufe die Position der zweiten Bezugsoberfläche ein. Alternativ kann die zumindest eine bewegliche Stufe eine erste bewegliche Stufe aufweisen, die von einer ersten Position, welche die erste Bezugsoberfläche festlegt, zu einer zweiten Position einstellbar ist, welche die zweite Bezugsoberfläche festlegt.
Das Verschiebungsmeßinterferometer kann mehrere Meßachsen zur Verfügung stellen (beispielsweise 2 oder 3). Das Abtastinterferometerprofilmeßsystem kann infrarote oder sichtbare Wellenlängen verwenden.
Allgemein betrifft, bei einem anderen Aspekt, die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung einer geometrischen Eigenschaft eines Versuchsgegenstands. Das Verfahren umfaßt: Profilmessung einer ersten Oberfläche des Versuchsgegenstands in einem ersten Koordinatensystem; Profilmessung einer zweiten Oberfläche des Versuchsgegenstands in einem zweiten Koordinatensystem, das von dem ersten Koordinatensystem verschieden ist; Bestimmung einer räumlichen Beziehung zwischen dem ersten und dem zweiten Koordinatensystem auf der Grundlage zumindest einer interferometrischen Entfernungsmessung; und Berechnung der geometrischen Eigenschaft auf der Grundlage der Oberflächen, bei denen eine Profilmessung durchgeführt wurde, und der Beziehung zwischen dem ersten und dem zweiten Koordinatensystem.
Erfindungsgemäß sind die erste und die zweite Oberfläche gegenüberliegende Außenflächen, oder sind die erste und die zweite Oberfläche benachbarte Außenflächen, die durch eine Stufenhöhe getrennt sind, oder sind die erste und die zweite Oberfläche nominell nicht parallel.
Allgemein, bei einem anderen Aspekt, betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung einer geometrischen Eigenschaft eines Versuchsgegenstands. Das Verfahren umfaßt:
interferometrische Profilmessung einer ersten Oberfläche des Versuchsgegenstands in Bezug auf eine erste Bezugsoberfläche; interferometrische Profilmessung einer zweiten Oberfläche des Versuchsgegenstands in Bezug auf eine zweite Bezugsoberfläche, die von der ersten Bezugsoberfläche verschieden ist; Bestimmung einer räumlichen Beziehung zwischen den Oberflächen, bei denen eine interferometrische Profilmessung durchgeführt wurde, welche die PCOR-Dispersion berücksichtigt; und Berechnung der geometrischen Eigenschaft auf der Grundlage der Oberflächen, bei denen eine interferometrische Profilmessung durchgeführt wurde, und der räumlichen Beziehung.
Allgemein, bei einem anderen Aspekt, betrifft die Erfindung ein optisches Profilmeßsystem, welches aufweist: eine Breitbandquelle; ein Abtastinterferometer, das im Betrieb eine erste Wellenfront entlang einem Referenzweg richtet, der eine teilreflektierende erste Oberfläche und eine reflektierende zweite Oberfläche enthält, sowie eine zweite Wellenfront entlang einem Meßweg, der einen Meßgegenstand berührt, und dann, nachdem die zweite Wellenfront den Meßgegenstand berührt, die Wellenfronten vereinigt, um ein optisches Interferenzmuster zu erzeugen; einen Detektor, der Interferenzdaten in Reaktion auf das optische Interferenzmuster erzeugt; einen elektronischen Prozessor, der mit dem Detektor gekuppelt ist, um die Interferenzdaten zu analysieren; und eine Abtaststeuerung, die mit dem Abtastinterferometer und dem elektronischen Prozessor gekuppelt ist, wobei während des Betriebes die Abtaststeuerung das Abtastinterferometer dazu veranlaßt, die Position der ersten und der zweiten Oberfläche einzustellen, wobei die teilreflektierende erste Oberfläche des Abtastinterferometers eine erste Bezugsoberfläche festlegt, und die reflektierende zweite Oberfläche eine zweite Bezugsoberfläche festlegt, und während des Betriebs der elektronische Prozessor eine geometrische Eigenschaft des Versuchsgegenstands auf der Grundlage der Interferenzdaten und einer Beziehung zwischen der ersten und der zweiten Bezugsoberfläche berechnet.
Ausführungsformen der Erfindung umfassen zahlreiche Vorteile. Sie können beispielsweise absolute Oberflächentopographiekarten mit hoher Datendichte von zwei oder mehreren Oberflächen eines Versuchsteils in Bezug auf ein gemeinsames xyz-Koordinatensystem zur Verfügung stellen. Derartige Topographiekarten können dazu verwendet werden, zu überprüfen, dass die geometrischen Abmessungen von Präzisionsteilen festgelegten Toleranzen entsprechen.
Andere Aspekte, Vorteile und Merkmale der Erfindung folgen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Zeichnung, die gemeinsame Definitionen für Ebenheit und Parallelität erläutert.
2 ist eine Zeichnung, welche die Messung der Dicke eines Teils erläutert.
3 ist eine Zeichnung, die eine andere Messung der Dicke erläutert.
4 ist eine Zeichnung, welche eine Stufenhöhenmessung erläutert.
5 ist eine schematische Zeichnung eines zweiseitigen, vollständig optischen FTP-Systems.
6 ist eine schematische Zeichnung eines einseitigen optischen FTP, das eine Richtplatte zum Simulieren des Bezugsteils verwendet.
7 ist eine schematische Zeichnung einer Kalibrierung unter Verwendung eines Endmaßes.
8 ist eine schematische Zeichnung einer gleichzeitigen Teilmessung und Systemkalibrierung unter Verwendung eines Endmaßes.
9 ist eine schematische Zeichnung einer Kalibrierung unter Verwendung eines Verschiebungsmeßinterferometers.
10 ist eine schematische Zeichnung einer strukturierten Bezugsgröße eines optischen Profilmeßgeräts zur Verwendung bei der Messung einer Stufenhöhe.
11 ist eine schematische Zeichnung einer strukturierten Bezugsgröße eines optischen Profilmeßgeräts zur Verwendung bei der Kalibrierung.
12 ist eine schematische Zeichnung einer strukturierten Bezugsgröße eines optischen Profilmeßgeräts zur Messung der Beziehung zwischen gekrümmten Oberflächen.
13 ist eine schematische Zeichnung eines optischen Profilmeßsystems zur Messung einer Stufenhöhe.
14 ist eine schematische Zeichnung eines optischen Profilmeßsystems zur Messung der Stufenhöhe und der Dicke.
15 ist eine schematische Zeichnung eines optischen Profilmeßsystems zur Messung der Ebenheit und der Senkrechtheit.
16 ist eine schematische Zeichnung einer Kalibrierung des optischen Profilmeßsystems von 15.
17 ist eine schematische Zeichnung eines optischen Profilmeßgeräts zur Messung der Ebenheit, der Dicke, der Senkrechtheit, und der Orthogonalität (FTPO).
18 ist eine schematische Zeichnung des Kamerabildes für die Geometrie von 15.
19 ist eine schematische Zeichnung eines Profilmeßsystems, welches die Orthogonalität mißt.
20 ist eine schematische Zeichnung eines FTPO-Profilmeßsystems.
21 ist eine schematische Zeichnung eines Infrarotabtasthöhenmeßinterferometers.
22 ist eine schematische Zeichnung eines optischen FTP-Profilmeßsystems zur Messung eines teilweise transparenten Versuchsteils.
23 ist eine Perspektivdarstellung eines Infrarotabtast-FTP-Systems, welches ein Endmaß für die Kalibrierung einsetzt.
24 ist eine schematische Zeichnung eines FTP-Systems, welches strukturierte Profilmeßbezugsgrößen verwendet.
25 ist eine schematische Zeichnung eines IR-Abtast-FTP-Systems, welches eine DMI zur Kalibrierung verwendet.
26 ist ein Flußdiagramm, welches den Betriebsablauf des IR-Abtast-FTP-Systems von 25 erläutert.
27 ist eine schematische Zeichnung eines Zweistrahl-Michelson-Interferometers.
28 ist ein Diagramm, welches interferometrische Kohärenzprofilmeßdaten und die Auswirkungen von PCOR sowie PCOR-Dispersion erläutert.
29 ist ein Graph einer interferometrischen Phase als Funktion der Wellenzahl, um die Auswirkungen von PCOR und der PCOR-Dispersion zu erläutern.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die Erfindung stellt optische Systeme und Verfahren zur Verfügung, welche Absolutpositionen von Punkten auf potentiell unzusammenhängenden Oberflächen auf einem Versuchsteil in Bezug auf ein gemeinsames Referenzsystem bestimmen. Besonders interessieren gegenüberliegende, planparallele Oberflächen, orthogonale plane Oberflächen, unzusammenhängende Ebenen, zylindrische und Kugeloberflächen, und Bauteiloberflächen einer Anordnung. Nachstehend werden wir zuerst Meßanforderungen beschreiben, und wie interferometrische Profilmeßgeräte derartige Messungen durchführen können, dann wird die Kalibrierung behandelt, unter Verwendung entweder von Endmaßen oder eines Lasers, um Skalen für die Dicke und die Parallelität einzurichten. Dann werden Abtastsysteme beschrieben, gefolgt von einer Diskussion zusätzlicher Ausführungsformen.
Messungen
Häufig möchte man überprüfen, dass bearbeitete Teile GD&T-Spezifikationen entsprechen, entsprechend nationalen und internationalen Standards für technische Zeichnungen. Das ASME-Dokument Y14.5M-1994 (die ”ASME-Standards”) definieren die Praxis bei GD&T in den USA. Die Definitionen, die in den ASME-Standards enthalten sind, stehen in enger Beziehung zur Art und Weise, wie ein erfahrener Techniker Teile herstellen, prüfen und zusammenbauen würde. So umfassen beispielsweise bei einem Teil, das gegenüberliegende planparallele Oberflächen aufweist, interessierende Spezifikationen die Ebenheit, die Dicke, und die Parallelität (FTP).
Als Beispiel legt eine Toleranz für die Ebenheit normalerweise eine Zone fest, die durch zwei parallele Ebenen festgelegt ist, innerhalb derer eine Oberfläche liegen muß. Die iterative Anpassung zweiter paralleler Ebenen wird dazu verwendet, den minimalen Abstand aufzufinden, in welchem sämtliche Datenpunkte liegen.
Eine Parallelitätstoleranz legt häufig eine Zone fest, innerhalb derer eine Oberfläche liegt, definiert durch zwei Ebenen, die beide parallel zu einer Bezugsebene sind. 1 erläutert die Ebenheit (F) und die Parallelität (P) für das Beispiel eines Teils, das zwei gegenüberliegende Oberflächen Σ₂ und Σ₁ aufweist. Die Bezugsebene Q ist eine theoretisch exakte Ebene in Berührung mit der unteren Oberfläche oder einem festgelegten Merkmal Σ₁ des Teils. Parallelität ist der minimale Abstand zweier Ebenen parallel zur Bezugsebene Q, welche die gesamte obere Oberfläche Σ₂ des Teils enthalten. Es wird deutlich, dass die Parallelitätstoleranz größer oder gleich der Ebenheitstoleranz ist.
Es gibt verschiedene relevante Interpretationen der Dicke, die mit GD&T verträglich sind:
Dicke 1 = Profil in Bezug auf Bezugsebene: Eine Vorgehensweise besteht darin, einem Profil eine Toleranz in Bezug auf die Bezugsebene Q des Teils in 1 zu geben. Diese auf eine Bezugsgröße bezogene Profiltoleranz umfaßt die grundlegende Abmessung von der Oberfläche Σ₁ zur Oberfläche Σ₂. Um das Teil entsprechend der Dicke zu sortieren, kann die gemessene Dicke als die mittlere Entfernung von der Bezugsgröße Q der beiden Ebenen angesehen werden, die zur Überprüfung der Parallelität der Oberfläche Σ₂ in Bezug auf die festgelegte Oberfläche Σ₁ verwendet wird.
Dicke 2 = aktuelle lokale Größe: Eine zweite Möglichkeit ordnet die Dicke der aktuellen lokalen Größe zu, welche der Wert jeder individuellen Entfernung an jedem Querschnitt eines Merkmals ist, wie dies in 2 gezeigt ist, beispielsweise lokale Größenwerte T_1..2..N. Die aktuelle lokale Größe umfaßt nicht die Bezugnahme auf eine Bezugsgröße. Wir schlagen vor, den Mittelwert der maximalen und der minimalen aktuellen lokalen Größe zu nehmen, und dies als gemessene Dicke zu bezeichnen. In diesem Fall, und zwar nur in diesem, ist es möglich, dass die Toleranz der Dicke kleiner ist als die Parallelitätstoleranz.
Dicke 3 = Größe: Eine dritte Interpretation der Dicke besteht darin, sie als Synonym für die Teilgröße anzusehen. Erneut umfaßt die Teilgröße nicht die Bezugnahme auf eine Bezugsgröße. Statt dessen legen die Definitionen von MMC (maximaler Materialzustand) und LMC (minimaler Materialzustand) die Teilgröße fest. Der MMC entspricht dem größten zulässigen Abstand zweier paralleler Ebenen, die vollständig das Teil enthalten. Es stellt daher das Analogon zur Ebenheit dar, angewendet beim gesamten Teil. Der LMC entspricht dem kleinsten zulässigen Abstand irgendwelcher zwei gegenüberliegender Punkte auf den Oberflächen Σ₁ und Σ₂.

Der Mittelwert des LMC und des MMC stellt eine dritte mögliche Definition der Dicke dar (3).

Parameter	Minimale Anforderung an optische Metrologie
Ebenheit:	Relative Oberflächentopographiekarten auf beiden Seiten des Teils
Parallelität	Relative Entfernung zwischen irgendeinem Punkt auf der Karte in Bezug auf eine Bezugsebene, die durch die festgelegte Oberfläche eingerichtet wird
Dicke 1:	Absolutentfernung zwischen jenem Punkt auf der Karte in Bezug auf eine Bezugsebene, die durch die festgelegte Oberfläche eingerichtet wird
Dicke 2:	Absolutentfernung zwischen irgend zwei Punkten auf den beiden gegenüberliegenden Oberflächen, welche dieselbe Position x, y in Querrichtung aufweisen
Dicke 3:	Absolute Oberflächentopographiekarten beider Seiten des Teils in Bezug auf ein gemeinsames x, y, z-Koordinatensystem

Tabelle 1

Wie aus Tabelle 1 hervorgeht, unterscheidet man, um alle diese möglichen GD&T-Definitionen in ein optisches FT-Meßsystem aufzunehmen, zwischen relativen Oberflächentopographiemessungen, die einen willkürlichen, konstanten Offset aufweisen können, und absoluten Messungen, welche diese Mehrdeutigkeit nicht aufweisen. Es wird deutlich, dass die Definition der Dicke 3 diese Anforderungen erfüllt. Sammeln wir alle Daten, die zur Berechnung der Größe eines Teils erforderlich sind, dann haben wir sämtliche Information, die für alle anderen GD&T-Eigenschaften erforderlich sind. Wir haben auch alle erforderlichen Daten, um praktisch jede andere sinnvolle Definition von FTP zu erfüllen. Es ist daher vorteilhaft, ein Metrologiewerkzeug zu haben, das absolute Oberflächentopographiekarten mit hoher Datendichte beider Seiten eines Versuchsteils in Bezug auf ein gemeinsames Koordinatensystem zur Verfügung stellt.
Entsprechend ist für andere Anwendungen vorteilhaft, ein Metrologiewerkzeug zu haben, das absolute Oberflächentopographiekarten mit hoher Datendichte von unzusammenhängenden Oberflächen Σ_A, Σ_B eines Versuchsteils in Bezug auf ein gemeinsames Koordinatensystem zur Verfügung stellt. Zum Beispiel können die unzusammenhängenden Oberflächen voneinander durch eine Stufenhöhe getrennt sein, und können die bei dem Teil interessierenden Messungen die Ebenheit, die Parallelität, und die Stufenhöhe (FP-H) der unzusammenhängenden Oberflächen umfassen, wie in 4 gezeigt. Zum Beispiel kann eine der Oberflächen, beispielsweise Σ_A, an eine Ebene angepaßt werden, um die Bezugsoberfläche festzulegen, und könnte die Stufenhöhe als der Mittelwert des höchsten und des niedrigsten Punktes auf der ausgenommenen Oberfläche Σ_B in Bezug auf diese Bezugsgröße definiert sein.
Wie nachstehend genauer erläutert wird, umfassen zusätzliche, interessierende Messungen die Orthogonalität unterschiedlicher Teiloberflächen, oder allgemeiner die geometrische Beziehung einer Teiloberfläche (beispielsweise einer ebenen, gekrümmten, oder strukturierten Oberfläche) zu einer anderen Teiloberfläche. Allgemein können derartige geometrischen Eigenschaften dadurch bestimmt werden, dass Positionen in einem gemeinsamen Koordinatensystem mehrere Punkte auf der ersten Oberfläche und mehrere Punkte auf der zweiten Oberfläche gemessen werden.
Optische FTP-Systeme
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung setzen optische Profilmeßgeräte dazu ein, eine Höhe h_HΣ innerhalb eines eingeschränkten Bereiches η für jeden vorgegebenen Punkt x, y auf einer Oberfläche Σ in Bezug auf eine Bezugsgröße H eines optischen Profilmeßgerätes zu messen. Derartige Höhenmessungen sind beispielsweise charakteristisch für abtastende Höhenmeßinterferometer, beispielsweise das NewView 5000 von der Zygo Corp. (Middletown, CT), bei welchem η der PowFoc-Abtastbereich von 100 Mikrometer ist. Die Position und die Orientierung der Bezugsgröße des optischen Profilmeßgerätes NewView stehen in Beziehung zum Startpunkt der PowFoc-Abtastung, sowie zu den Orten aller optischen Bauteile, welche die Position des Spitzenwertes für den Streifenkontrast beeinflussen. Der Einsatz zweier derartiger optischer Profilmeßgeräte für die Profilmessung von zwei Teiloberflächen, und das Inbezugsetzen der beiden entsprechenden Bezugsgrößen H₁, H₂ des optischen Profilmeßgerätes für die Profilmessung stellt Information zur Verfügung, die ausreichend ist für FTP, FPH, und andere derartige geometrische Teileigenschaften.
5 erläutert eine vollständige optische FTP-Messung, die zwei Oberflächenhöhenprofile h_H1Σ1, h_H2Σ2 umfaßt, die entweder durch unabhängige optische Profilmeßgeräte aufgenommen werden, oder durch ein Profilmeßgerät, das zwei gegenüberliegende Betrachtungsöffnungen aufweist. Die beiden mit (H₁) bezeichneten Ebenen sind parallel zu H₁. Kennt man die Beziehung zwischen den beiden Bezugsebenen H₁, H₂ der optischen Profilmessung mit Hilfe einer vorherigen Kalibrierung, so kann beide Oberflächenprofile zu einer gemeinsamen Ebene, beispielsweise H₁, in Beziehung setzen:
Hierbei ist D_H1H2 die Entfernung von H₁ zu H₂ bei x = 0, y = 0, und sind α_H1H2, β_H1H2 der Neigungswinkel und der Verkantungswinkel zwischen diesen beiden Ebenen. Die Kenntnis von h_H1Σ1 und von h_H1Σ2 für sämtliche x, y ist ausreichend, um die Anforderungen der FTP-Messungen in Tabelle 1 zu erfüllen.
Eine Alternative zur Betrachtung des Teils von beiden Seiten für FTP-Messungen besteht darin, das Teil nur von einer Seite zu betrachten, unter Verwendung eines mechanischen Bezugsgrößensimulators, etwa einer Richtplatte (6). Dies erfüllt die Anforderungen an Ebenheit, Parallelität und Dicke-1, die in Tabelle 1 angegeben sind, unter der Voraussetzung, dass die Berührung mit der Richtplatte wiederholbar und verläßlich ist. Die Befestigung wäre einfach, und der Gegenstand würde umgedreht, um beiden Seiten in Bezug auf die Ebenheit zu messen. Weiterhin können FPH-Messungen unter Verwendung eines einzelnen optischen Profilmeßgeräts durchgeführt werden, wenn man eine Translationsbewegung des optischen Profilmeßgerätes in Bezug auf das Teil durchführt, um hintereinander die unzusammenhängenden Oberflächen zu betrachten. Weiterhin können Ausführungsformen ein einzelnes optisches Profilmeßsystem umfassen, bei welchem das Teil durch eine einstellbare Halterung gehaltert wird, die eine kalibrierte, erneute Positionierung des Teils in Bezug auf das optische Profilmeßgerät zur Verfügung stellt, so dass zwei oder mehr Oberflächen hintereinander durch das Profilmeßgerät betrachtet werden können. Weiterhin können Ausführungsformen einzelne optische Profilmeßsysteme enthalten, bei denen das optische Profilmeßgerät ein aufgeteiltes Sehfeld zur gleichzeitigen Betrachtung unterschiedlicher Teiloberflächen zur Verfügung stellt.
Im allgemeinen können die optischen Profilmeßsysteme umfassen: i) mehrere (beispielsweise zwei oder mehr) optische Profilmeßgeräte, die gemeinsam Elektronik oder Computersteuerung nutzen oder auch nicht; ii) ein einzelnes optisches Profilmeßgerät, das mehrere oder zusammengesetzte Betrachtungsöffnungen aufweist, wobei jede Betrachtungsöffnung in der Auswirkung als unabhängiges optisches Profilmeßgerät dient; und iii) ein einzelnes optisches Profilmeßgerät, das einstellbar in Bezug auf das Teil oder eine Halterung, die das Teil haltert, angeordnet ist, um hintereinander eine Profilmessung unterschiedlicher Teiloberflächen durchzuführen. Das optische Profilmeßsystem, das mehrere Betrachtungsöffnungen aufweist, kann eine oder mehrere gemeinsame Optiken aufweisen, eine gemeinsame Kamera mit einem aufgeteilten Sehfeld, und/oder getrennte Kameras. Das einzelne optische Profilmeßsystem kann so arbeiten, dass das optische Profilmeßgerät oder ein Bauteil von diesem bewegt wird, oder das Teil oder eine einstellbare Halterung bewegt wird, die das Teil haltert.
Kalibrierung unter Verwendung von Endmaßen
Die optischen Profilmeßsysteme werden kalibriert, um die relative Orientierung und Entfernung zwischen den Bezugsgrößen H₁, H₂ entsprechend den beiden Teiloberflächenmessungen zu bestimmen. Eine derartige Kalibrierung kann beispielsweise dann erforderlich sein, wenn die Bezugspositionen eingestellt werden, um mit einer sich ändernden Dicke des Teils fertig zu werden, und zwar dadurch, dass sie in den Profilmeßbereich η gebracht wird.
Eine Art der Kalibrierung umfaßt Standard-Artefakte, beispielsweise zertifizierte Endmaße. Der Zweck der Kalibrierung besteht darin, die Entfernung D_H1H2 und die Orientierungswinkel α_H1H2, β_H1H2 festzulegen, welche die beiden Bezugsebenen H₁, H₂ für die optische Profilmessung in Bezug setzen. Wenn wie in 7 gezeigt ein mechanisches Standard-Artefakt für die Kalibrierung verwendet wird, besteht der erste Schritt darin, die Profilmeßgeräte dazu zu messen, die untere und obere Oberfläche G₁, G₂ zu messen. Der nächste Schritt besteht in einem rms-Fit der Ebenen G'₁, G'₂ an die Profilmessungsdaten, und im Reduzieren dieser Information auf Entfernungen D_H1G'1, D_H2G'2 und auf Orientierungswinkel α_H1G'1, β_H1G'1, α_H2G'2, β_H2G'2. Wenn man vorher weiß, wie G'₁ in Beziehung zu einem G'₂ steht (beispielsweise durch eine NIST-nachverfolgbare Zertifizierung), so berechnen wir
Sobald dies erreicht ist, geht die Messung des Teils entsprechend Gleichung (1) weiter. Wie in 7 gezeigt, können Translationsstufen (beispielsweise z-Stufen) dazu verwendet werden, die Ebenen G'₁, G'₂ innerhalb des Profilmeßbereiches η der optischen Profilmeßgeräte anzuordnen.
Die voranstehende Kalibrierung, die ein mechanisches Standard-Artefakt verwendet, bleibt gültig für eine Zeitdauercharakteristik der gesamten mechanischen und thermischen Stabilität des Meßsystems. Für viele Industrieteile sind die Metrologietoleranzen für die Dicke eng (6σ < 1 μm), und wird es erforderlich, sehr häufig zu kalibrieren. Eine Alternative besteht darin, das Artefakt in der Nähe des Versuchsteils für gleichzeitige Kalibrierung und Teilcharakterisierung in einer Messung anzuordnen, wie dies in 8 gezeigt ist. Anders ausgedrückt vergleicht das Profilmeßsystem ein Endmaß direkt mit dem Versuchsteil.
Eine bequeme Datenanalyseprozedur besteht darin, die Stufenhöhe zwischen dem Endmaß und dem Versuchsteil auf jeder Seite zu messen, um α_G'1Σ'1, β_G'1Σ'1, D_G'1Σ'1, α_G'2Σ'2, β_G'2Σ'2, und D_G'2Σ'2 zu erhalten. Parallelität rührt von den Winkeln her, und die Dicke ist die Differenz der Werte D_G'1Σ'1, D_G,2Σ'2 plus der bekannten oder angenommenen Eigenschaften des Artefakts:
Die Kalibrierung durch ein mechanisches Standard-Artefakt kann eine kostengünstige Art und Weise der Durchführung von FTP- und anderen Messungen für wiederholte Messungen derselben Art eines Teils sein. Das Instrument mißt innerhalb eines begrenzten Bereiches für die Dicke um die zertifizierte Dicke des Artefakts herum. Ein speziell hergestelltes, mechanisches Standard-Artefakt wird für jeden Teiltyp zur Verfügung gestellt, das so ausgebildet ist, dass es die Genauigkeit und Wiederholbarkeit dadurch maximiert, dass es das Teil vollständig mit Referenzoberflächen umgibt.
Kalibrierung unter Verwendung einer Wellenlängenskala
Wie voranstehend erwähnt umfaßt das Einstellen des optischen Profilmeßsystems für verschiedene Teiledicken die Einstellung einer oder beider der Bezugsgrößen H₁, H₂, um die Oberflächen des Gegenstands innerhalb des Meßbereiches η zu bringen. Die Kalibrierung bestimmt die neuen Relativpositionen und die Orientierung der Bezugsgrößen H₁, H₂ nach dieser Einstellung. Eine Alternative zur Verwendung eines mechanischen Standard-Artefakts zum erneuten Kalibrieren für jede Dicke bestände darin, alle z-Stufen-Verschiebungen zu überwachen, und alle sich ergebenden Änderungen der Neigung und der Verkantung zu kompensieren. So könnte man beispielsweise ein Verschiebungsmeßinterferometer (DMI) auf Lasergrundlage dazu einsetzen, die Bewegung einer Stufe sowie jeden anderen Parameter zu messen, der mit der Kalibrierung in Beziehung steht. Diese Wellenlängenskala schaltet das Erfordernis aus, mehrere Artefakte vorzuhalten, und sollte flexibler sein.
Die DMI-Messung wird initialisiert, um die Beziehung zwischen der DMI-Messung und den Meßwerten der Profilmeßeinrichtung festzulegen. Die Initialisierung umfaßt ein Initialisierungs-Artefakt, vorzugsweise dünn, völlig festgelegt, und thermisch stabil, das zeitweilig in den Weg der optischen Profilmeßgeräte eingefügt wird. Wie aus der Bezeichnung hervorgeht, besteht ein Teil der Funktion des Initialisierungs-Artefakts darin, einen Ursprung für alle Messungen der Dicke festzulegen. 9 erläutert eine vollständige Kalibrierungsequenz, die eine Initialisierung (a) umfaßt, bei welcher die optischen Profilmeßgeräte eine Translationsbewegung zu einer Position durchführen, von welcher aus sie das Initialisierungs-Artefakt messen können, das hier als dünner Block dargestellt ist, bei dem eine bekannte Beziehung zwischen den beiden Oberfläche Z₁, Z₂ vorhanden ist. Das Ergebnis der ursprünglichen Nulleinstellsequenz sind
die sich aus den rms-Fits Z'₁, Z'₂ der Ebene an Höhendaten in Bezug auf die Bezugsgrößen H⁰ ₁, H⁰ ₂ ergeben. Auf der Grundlage dieser Information, und wenn man vorher die Beziehung zwischen Z'₁ und Z'₂ kennt, so ergibt sich die Beziehung zwischen den beiden Bezugsgrößen H⁰ ₁, H⁰ ₂ der optischen Profilmessung folgendermaßen
Gleichzeitig stellt das DMI die Winkel
und die Höhen
die sich aus einer Messung der ursprünglichen Relativposition und der Orientierung des DMI-Spiegels M⁰, der am Profilmeßgerät 2 angebracht ist, in Bezug auf die DMI-interne Referenzbezugsgröße W⁰ ergeben, zur Verfügung. Hiermit ist der Initialisierungsvorgang beendet.
Nun kann man eine Translationsbewegung des optischen Profilmeßgerätes zu jeder anderen Position durchführen, und kennt infolge des DMI exakt, wie weit man sich bewegt hat (vgl. 9, Schritt (b)). Die folgenden Gleichungen kalibrieren das Instrument für neue Positionen:
wobei α_WM, β_WM, D_WM DMI-Winkel und -Höhen sind, die für die neuen Positionen der Stufe gemessen wurden.
Die zugrundeliegende Annahme bei dieser Berechnung besteht darin, dass die Beziehung zwischen der internen Referenzbezugsgröße W des DMI und der Bezugsgröße H₁ des optischen Profilmeßgerätes immer gleich ist. Weiterhin wird auch die Beziehung zwischen dem DMI-Spiegel M und der Bezugsgröße H₂ des optischen Profilmeßgerätes als konstant angenommen. Mechanische und thermische Driftvorgänge können die Genauigkeit dieser Annahme im Verlauf der Zeit beeinträchtigen, was eine erneute Initialisierung erforderlich macht.
Diese Berechnungen nehmen an, dass die Koordinatensysteme sowohl für das DMI als auch für die optischen Profilmeßgeräte dieselben sind, insbesondere der Ursprung x, y = 0,0 in Querrichtung, entlang welcher sämtliche Entfernungsmessungen ”D” vorgenommen werden. Das Minimieren von Abbé-Offsetfehlern würde eine Positionierung der DMI-Strahlen auf solche Weise mit sich bringen, daß die Winkel α_WM, β_WM den kleinsten möglichen Einfluß auf die Berechnung D_WM haben.
Es gibt verschiedene Ausführungsformen der Wellenlängenskala-Initialisierung. So kann beispielsweise das Initialisierungs-Artefakt transparent sein, wobei eine Oberfläche teilreflektierend ist. In diesem Fall wären die beiden Oberflächen Z₁, Z₂ entgegengesetzte Seiten derselben Oberfläche, und wären die Winkel α_Z'1Z'2, β_Z'1Z'2 und die Entfernung D_Z'1Z'2 sehr nahe an den Werten Null. Ein teilweise transparentes Null-Fenster-Artefakt könnte möglicherweise ständig in dem Sehfeld verbleiben, und eine dauernde Einrichtung in dem System sein.
Eine zusätzliche Kalibrierarbeit kann die Subtraktion von Wellenfrontsystemfehlern umfassen, welche die Ebenheits-Metrologie beeinträchtigen können. So kann beispielsweise in ebener Referenzgegenstand mit sehr hoher Qualität in das Instrument eingefügt werden, um Wellenfrontsystemfehler zu bestimmen, die gespeichert werden, und zur Korrektur des Fehlers bei nachfolgenden Messungen verwendet werden. Die Messung von Systemfehlern kann gleichzeitig mit der Initialisierung erfolgen, beispielsweise wenn der ebene Referenzgegenstand identisch mit dem Initialisierungs-Artefakt ist.
Verschiedene Arten von Laserinterferometern erfüllen die Minimalanforderungen an das DMI, die zur Wellenlängenskalakalibrierung erforderlich sind. So werden beispielsweise zwar normalerweise drei DMI-Strahlen oder -Achsen für die Entfernung und die Orientierung benötigt, jedoch können auch zwei, oder sogar eine Achse, mit einem anderen Mechanismus zum Steuern des Winkels, ausreichend sein. Als anderes Extrem kann das DMI ein Laser-Fizeau-Interferometer sein, das Tausende von Entfernungsmessungen zur Verfügung stellt. In diesem Fall kann das DMI in die optischen Profilmeßgeräte eingebaut sein, und sich mit ihnen dasselbe Abbildungssystem teilen.
Bei einer Ausführungsform kann ein Laserinterferometer eingesetzt werden, das parallel zu dem optischen Profilmeßgerät arbeitet, beispielsweise ein Jodon-HeNe von 3,39 μm, das in ein IR-Abtastsystem eingebaut ist, das bei 3,5–5,0 μm arbeitet. Der HeNe-Laser in dem IR-System ist von selbst in Bezug auf die Wellenlänge und die Moden stabil, und alle Optiken werden gemeinsam von der Wellenlängenskala und dem optischen Profilmeßgerät genutzt. IR-Kameras, die in diesem Wellenlängenband arbeiten, können Stirling-Zykluskühler mit niedriger MTBF benötigen. Alternativ können Quellen im Bereich von 8–12 μm in dem IR-Abtastsystem verwendet werden, infolge der hohen Verläßlichkeit im Handel erhältlicher Mikrobolometer. Eine derartige Quelle enthält einen CO₂-Laser bei 10,6 μm. Alternativ kann Interferometrie mit einem CO₂-Laser auf mehreren Wellenlängen als die Wellenlängenskala verwendet werden. Ein derartiges Instrument würde die absolute Höhe über einen erheblich größeren Bereich η messen, wobei möglicherweise der gesamte erwartete Bereich für die Dicke des Teils (beispielsweise 0–75 mm) abgedeckt wird.
Eine andere geeignete Wellenlängenskala ist ein im Handel erhältliches HeNe-Heterodyn-DMI bei 0,63 μm, beispielsweise ein ZMI 510 von der Zygo Corp. (Middletown, CT).
Komplexe Merkmale und strukturierte Bezugsgrößen
Einige Arten von Teilen weisen etwas kompliziertere Merkmale als zwei gegenüberliegende Oberflächen auf. So zeigt beispielsweise 10 ein Teil, das drei parallele Oberflächen aufweist, eine obere Oberfläche und zwei versetzte untere Oberflächen. Zusätzlich zu der Messung der Dicke, welche gegenüberliegende Oberflächen betrifft, ist hierbei daher eine Stufenhöhenmessung vorhanden. Wenn die Stufenhöhe den Meßbereich η des optischen Profilmeßgerätes überschreitet, gibt es ein Problem. Wie voranstehend geschildert ist dies die Motivation für Messungen des FPH-Typs, bei denen mit jeder der beiden versetzten unteren Oberflächen eine Profilmessung in einem jeweiligen Koordinatensystem durchgeführt wird, und die Koordinatensysteme zueinander in Beziehung gesetzt werden, um die Stufenhöhe zu bestimmen.
Alternativ kann man eine strukturierte Bezugsgröße des optischen Profilmeßgerätes für das optische Profilmeßgerät zur Verfügung stellen. Dies kann beispielsweise bei einem interferometrischen optischen Profilmeßgerät dadurch erreicht werden, dass ein Gegenstand mit einem strukturierten Querprofil in dem Referenzarm des optischen Profilmeßgerätes angeordnet wird, so dass das Profilmeßgerät beispielsweise einen strukturierten Referenzspiegel aufweist. Für den in 10 dargestellten Fall weist die strukturierte Bezugsgröße für das optische Profilmeßgerät zwei parallele Ebenen auf, die eine nominelle Versetzung entsprechend jener der Stufenhöhe aufweisen. Die Versetzung (Offset) zwischen den parallelen Ebenen in der strukturierten Bezugsgröße für das Profilmeßgerät können durch eine Vorgehensweise entsprechend jener, die voranstehend beschrieben wurde, kalibriert werden, oder kann eine stabile, bekannte, interne Eigenschaft des optischen Profilmeßgerätes sein. Ein optisches Profilmeßgerät dieser Art kann eine Messung der Ebenheit, der Stufenhöhe und der Parallelität von einer Seite aus durchführen, und der Ebenheit, Stufenhöhe, Dicke und der Parallelität von zwei Seiten aus.
Ein anderer möglicher Einsatz einer strukturierten Bezugsgröße für ein Profilmeßgerät besteht in der Vereinfachung der Kalibrierung. 11 zeigt, wie ein kleines Endmaß dazu verwendet werden kann, das System zur Messung eines größeren Versuchsteils zu kalibrieren, wenn man annimmt, dass die strukturierte Bezugsgröße für das Profilmeßgerät einen bekannten Offset aufweist. Diese Art der Kalibrierung verlagert im wesentlichen das Problem der Kalibrierung auf das optische Profilmeßgerät selbst. Dies könnte beispielsweise dann vorteilhaft sein, wenn das optische Profilmeßgerät so ausgelegt wäre, dass es verschiedene kalibrierte, strukturierte Bezugsgrößen für das Profilmeßgerät zur Verfügung stellt, ohne die zusätzlichen Kalibrierschritte zu erfordern, die voranstehend beschrieben wurden.
Ein weiteres Beispiel zeigt, wie eine strukturierte Bezugsgröße die zugrundeliegenden Konzepte der FTP-Messung auf eine nicht-ebene Oberfläche erweitert, beispielsweise die Form, den Durchmesser, die Rundheit, und/oder Geradheit kugelförmiger oder zylindrischer Gegenstände. 12 erläutert die Grundlagen dafür, wie Messungen von einer gekrümmten Bezugsgröße für ein optisches Profilmeßgerät die Geradheit, den Durchmesser, und die Rundheit eines Zylinders zur Verfügung stellt. Vorzugsweise dreht sich in diesem Fall ein Drehteller, und führt möglicherweise eine Translationsbewegung des Teils durch, um die Messung über die gesamte Oberfläche fertig zu stellen.
Optisches FPH-Profilmeßsystem
13 ist eine schematische Zeichnung zur direkten Messung der Stufenhöhe. Das System ist ein einseitiges Stufenhöhenmeßwerkzeug (beispielsweise ein FPH-Werkzeug), das ein DMI als Wellenlängenskala verwendet. Ein optisches Profilmeßgerät mit IR-Abtastung (das nachstehend genauer erläutert wird) mißt eine Höhe h_HΣ für jeden vorgegebenen Punkt x, y auf einer Oberfläche Σ in Bezug auf eine Bezugsgröße H des optischen Profilmeßgeräts. Eine Translation des optischen Profilmeßgerätes (also eine z-Stufentranslation) stellt eine ”verlängerte Abtastung” zur Verfügung, um beide Oberflächen Σ_A, Σ_B zu erfassen, wenn die Stufenhöhe den Bereich η überschreitet, und sich die Orientierung und Position der Bezugsgröße H des optischen Profilmeßgerätes zwischen den beiden Positionen A und B ändert. Kennen wir die Beziehung zwischen den beiden entsprechenden Bezugsgrößen H_A, H_B des optischen Profilmeßgerätes, dann haben wir eine Einrichtung zur Messung der Stufenhöhe. Die Rolle des ZMI besteht daher darin, H_B zu H_A in Beziehung zu setzen.
Unter Kenntnis der Beziehung zwischen den Bezugsebenen H_A, H_B des optischen Profilmeßgerätes für die beiden Positionen A und B kann man beide Oberflächenprofile auf eine gemeinsame Ebene beziehen, beispielsweise H_A:
Hierbei ist
die Entfernung von H_A nach H_B bei x 0, y = 0, und sind
der Neigungswinkel bzw. Verkantungswinkel zwischen diesen beiden Ebenen. Kennt man
und
für sämtliche x, y, so stellt dies sämtliche Information zur Verfügung, die für FP-H-Messungen benötigt wird. In dem System von 10 wird das Versuchsteil an dem DMI-Spiegel M angebracht, entweder direkt oder durch mechanische Befestigung, um hierdurch eine starre Beziehung zwischen dem Teil und dem Spiegel aufrecht zu erhalten. Bei dieser Ausführungsform überwacht das DMI direkt die Position des optischen Profilmeßgerätes in Bezug auf das Teil. Die DMI-Daten für Strahlen a und b werden zu Entfernungen D und Winkeln α, β gemäß den folgenden Formeln: α_WM = arctan[(w a / WM – w b / WM)/L] β_WM = const D_WM = (w a / WM + w b / WM)/2 (7) wobei w a / WM , w b / WM die Entfernungen bezeichnen, die von den beiden ZMI-Strahlen a, b gemessen werden, wie in 13 gezeigt, und L der Querabstand dieser Strahlen ist. Es wird darauf hingewiesen, dass infolge der Tatsache, dass nur zwei DMI-Strahlen vorhanden sind, der Winkel β oder ”Neigungswinkel” als konstant angenommen und nicht verfolgt wird. Die relative Orientierung und der Abstand für die beiden Positionen A und B der optischen Bezugsebene sind dann
In der Praxis ist es sinnvoll, als Standardvorgehensweise sowohl
als auch
auf Null zu setzen, was ergibt:
und
was die Gleichung (8) weiter vereinfacht.
14 ist eine schematische Darstellung eines optischen Profilmeßsystems, mit dem sowohl FTP- als auch FPH-Messungen durchgeführt werden können. Bei dieser Ausführungsform ist der DMI-Spiegel ein virtuelles Konstrukt, das sich aus Reflexionen von mehreren gefalteten Spiegeln in dem System ergibt (von jenen, die am IR-Abtastprofilmeßgerät 2 befestigt sind), von denen keiner tatsächlich an dem Teil oder der Einspannvorrichtung für das Teil befestigt ist. Daher reagieren die DMI-Meßwerte bei dieser Ausführungsform nur auf die anscheinende oder wirksame Trennung zwischen den beiden optischen Profilmeßgeräten, wie dies zur Messung der Dicke erforderlich ist, und geben nicht die tatsächliche Position des Teils an.
Obwohl das System von 14 eine andere Geometrie aufweist als jenes von 13, ist es immer noch möglich, die Stufenhöhe auf der Grundlage einer alternativen Vorgehensweise für eine vergrößerte Abtastung zu messen. Hierbei führt das System zwei aufeinanderfolgende FTP-Messungen durch, und dazwischen eine z-Stufenbewegung. Das Teil in diesem Fall, das in 14 gezeigt ist, weist eine rückwärtige Oberfläche Σ₂ auf, die nominell parallel zu den Oberflächenbereichen Σ_1A, Σ_1B verläuft, oder eine Montagebefestigungsvorrichtung, die einen Spiegel aufweist, der als Ersatz für die rückwärtige Oberfläche dient. Die Stufenhöhenmessung geht folgendermaßen vor sich. Zuerst wird ein Höhenprofil
des Oberflächenbereiches Σ_1A in Bezug auf einen rms-Fit Σ'₂ der Ebene an die rückwärtige Oberfläche Σ₂ erhalten, unter Verwendung von FTP-Funktionen. Dann wird die Prozedur für Σ_1B in Bezug auf Σ'₂ wiederholt. Die beiden Oberflächenbereiche Σ_1A, Σ_1B sind nun in Beziehung zu einer gemeinsamen Referenzebene Σ'₂ gesetzt, wie dies für die Untersuchung der Stufenhöhe erforderlich ist.
Winkelige Oberflächen
Die Konzepte der optischen FTP-Metrologie lassen sich leicht auf andere Arten von Beziehungsmessungen zwischen Oberflächen übertragen, einschließlich jener, die nicht nominell parallel sind. 15 zeigt eine Messung der Ebenheit und Senkrechtheit von zwei Oberflächen. Für diese Art der Messung ist die Dicke kein relevanter Parameter; die Kalibriervorgänge sind jedoch ähnlich jenen, die voranstehend erläutert wurden. 16 zeigt die Kalibrierung durch ein Standard-Artefakt und ein DMI-Überwachungssystem, von denen jedes für die Kalibrierung eingesetzt werden kann. Weiterhin kann das Artefakt ein teilweise transparentes Element sein, und kann in diesem Fall ständig im Sehfeld vorhanden sein.
Zusätzliche Ausführungsformen können FTP- und Winkelmessungen kombinieren, beispielsweise Ebenheit, Dicke, Parallelität und Orthogonalität (FTPO). So zeigt beispielsweise 17 eine mögliche Geometrie zur gleichzeitigen Messung von vier Oberflächen, die mit (1) bis (4) bezeichnet sind, eines Gegenstands mit rechteckigem Querschnitt. Das grundlegende FTP-Instrument beleuchtet den Gegenstand aus zwei Richtungen, die mit (A) und (B) bezeichnet sind. Das Ziel besteht darin, die Ebenheit aller Oberflächen zu messen, die Dicke und die Parallelität der Oberfläche (1) in Bezug auf (3), sowie der Oberfläche (2) in Bezug auf (4), und die Orthogonalität sämtlicher benachbarter Oberflächen.
In 17 sind die beiden Spiegel (Spiegel zur Untersuchung der Orthogonalität) so befestigt, dass sie planparallel angeordnet sind, und einen bekannten Abstand aufweisen, so dass die Meßgeometrie sämtliche Reflexionen von 90 Grad in Umkehrungen von 180 Grad umwandelt. Diese Umwandlung transformiert sämtliche Winkelmessungen in einfache Überprüfungen der Parallelität. Wenn daher die Oberfläche (1) orthogonal zur Oberfläche (4) ist, dann erscheinen sie in dem Instrument parallel. Dies gilt selbst dann, wenn entweder der Gegenstand oder das Spiegelpaar zur Untersuchung der Orthogonalität um eine Achse senkrecht zu 17 gedreht wird.
18 erläutert das Bild des Teils, gesehen von einer Kamera, die das System von 17 abbildet. Die Symbole x, ⊗, •, und ⊕ markieren entsprechende Oberflächenpunkte an entgegengesetzten Seiten des Gegenstands. So würde beispielsweise eine LMC-Berechnung der minimalen Dicke zwischen den Oberflächen (1) und (3) die Entfernung von den Punkten betreffen, die mit einem kleinen x auf jeder dieser Oberflächen markiert sind. Weiterhin wird die Position des Ursprungs oder der Dicke von Null in einem Ausmaß L in negativer Richtung verschoben, mit gleicher Größe wie der Abstand der beiden Spiegel zur Untersuchung der Orthogonalität. Weiterhin wird eine Dicke D zwischen zwei beliebigen Oberflächen bei der Geometrie um √2 vergrößert, infolge der doppelten Reflexion bei einem Einfallswinkel von 45 Grad.
Eine andere Anordnung ist in 19 gezeigt, welche die Orthogonalität benachbarter Oberflächen untersucht. Diese Anordnung enthält ein zusätzliches Orthogonalitäts-Artefakt, um einen Bezug zu einer Initialisierungsposition zu haben. Wie das System in 17 wandeln die Spiegel die Messung der Orthogonalität in eine Messung der Parallelität um.
Eine weitere Anordnung ist in 20 gezeigt, welche sämtliche Größen von FTPO untersucht. Hier teilt jeder von zwei senkrechten Spiegeln das Sehfeld von einer von zwei optischen Profilmeßeinrichtungen auf, um die Profilmessung von vier Seiten eines rechteckigen Versuchsteils zu gestatten. Das FTPO-System von 20 weist ebenfalls eine strukturierte Referenz auf, oder verwendet eine z-Stufenbewegung, um der Tatsache Rechnung zu tragen, dass die Entfernungen zu den Oberflächen (1) und (3) nicht die gleichen sind wie zu den Oberflächen (2) und (4).
Optische Profilmeßgeräte
Für Messungen der Beziehung, beispielsweise FTP, FTPO und FPH, mißt das optische Profilmeßgerät die absolute Oberflächenhöhe in Bezug auf eine Bezugsebene des optischen Profilmeßgeräts über zumindest einen eingeschränkten Meßbereich η. Geeignete optische Profilmeßgeräte umfassen Triangulierungssysteme, welche die geometrische Interpretation der Position unter Verwendung der Trigonometrie und unter der Annahme einer linearen Lichtausbreitung umfassen, Flugzeitsysteme, welche Lichtimpulse oder Amplitudenmodulation verwenden, um eine Zeitverzögerung in Beziehung zur Entfernung zu setzen, Mehrfachwellenlängeninterferometer, die eine Folge diskreter Wellenlängen verwenden, gefolgt von einer Interferenzstreifen- oder synthetischen Wellenlängenanalyse, Phasenverschiebungsinterferometer, und Höhenabtastinterferometer. Für viele Anwendungen sind die optischen Profilmeßgeräte vorzugsweise Höhenabtastinterferometer, welche abtastende Weißlichtinterferometer (SWLI) umfassen, Abtast-MESA-Interferometer, Abtastinterferometer mit streifendem Einfall, und IR-Abtastinterferometer.
SWLI wird beispielsweise in den US-Patenten 5,398,113 und 5,402,234 derselben Anmelderin beschrieben, deren Inhalte durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung eingeschlossen werden. NewView 5000 von der Zygo Corp. (Middlefield, CT) ist ein im Handel erhältliches SWLI-Instrument, das eine absolute Höhenmessung durchführen kann. Wenn ein SWLI-Instrument auf einem Teil verwendet wird, das eine rauhe Oberfläche aufweist, verglichen mit der sichtbaren Wellenlänge der SWLI-Quelle, so beeinträchtigen Speckle-Effekte die Auswertbarkeit herkömmlicher Interferenzstreifenmuster. Der Weißlicht-Kohärenzspitzenwert kann jedoch immer noch Entfernungsinformation zur Verfügung stellen. Vergleiche beispielsweise T. Dresel, G. Haeusler und H. Venzke in ”Three-dimensional sensing of rough surfaces by coherance radar”, Appl. Opt. 31 (7), 919–925 (1992).
Abtast-MESA-Interferometer sind in dem US-Patent 5,598,265 derselben Anmelderin beschrieben, dessen Inhalt durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung eingeschlossen wird. Abtastinterferometer mit streifendem Einfall sind in der US-Patentanmeldung Nr. 09/325,175 derselben Anmelderin mit dem Titel ”Grazing Incidence Interferometer and Method”, eingereicht am 03. Juni 1999, beschrieben, deren Inhalt durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung eingeschlossen wird.
IR-Abtastinterferometer sind wie SWLI-Instrumente, mit Ausnahme der Tatsache, dass breitbandiges Infrarotlicht anstelle von weißem Licht verwendet wird. Oberflächen, die rauh erscheinen, und Speckle bei sichtbaren Wellenlängen erzeugen, sehen völlig anders bei längeren Wellenlängen aus, beispielsweise im IR. Das IR-Abtastinterferometer verwendet daher IR-Wellenlängen, die ausreichend groß sind, um so die schädlichen Speckle-Effekte auszuschalten, die für die Weißlichtinterferometrie rauher Oberflächen charakteristisch sind. Das Bild und die Interferenzstreifen weisen daher kein Speckle auf, und auch nicht alle damit zusammenhängenden Einschränkungen und Schwierigkeiten. Mit Hilfe einer Breitbandquelle zum Lokalisieren von Interferenzstreifen, eines geeigneten Abtastmechanismus und einer Computersteuerung, erzielt man eine eindeutige Messung technischer Oberflächenprofile, sowie von Beziehungen zwischen Oberflächen und Punkten über große Bereiche, mit hoher Genauigkeit und hoher Meßgeschwindigkeit. IR-Abtastinterferometersysteme sind in der US-Gebrauchsmusteranmeldung derselben Anmelderin mit der Nummer 09/514,215 beschrieben, die am 25. Februar 2000 eingereicht wurde.
Wie in 21 gezeigt, weist ein IR-Abtastinterferometer typischerweise auf: i) eine Breitbandquelle, die einen Bereich von IR-Wellenlängen zur Verfügung stellt, für welche die technischen Oberflächen des Gegenstands spiegelnd erscheinen, also das reflektierte Licht bei normalen Einfall kein Speckle aufweist; ii) ein optisches Interferometersystem, das zumindest einen Meßstrahl aufweist, der von zumindest einer Oberfläche oder einem Oberflächenpunkt des Gegenstands reflektiert wird; iii) eine Vorrichtung zur Abtastung der optischen Wegdifferenz des Interferometers (beispielsweise einen Referenzspiegel, betätigt mittels PZT), während Interferenzdaten mit einer IR-Kamera gesammelt werden; und iii) eine Computersteuerung und -verarbeitung zum Interpretieren der Interferenzdaten, um eine Profilmessung ausgewählter technischer Oberflächen vorzunehmen, und/oder die Parallelität, Dicke und/oder den Höhenabstand mehrerer Oberflächen zu bestimmen, ohne Interferenzstreifen-Mehrdeutigkeit.
21 erläutert eine Ausführungsform der Erfindung auf der Grundlage eines Michelson-Interferometers 100, das jedoch vollständig im IR arbeitet, bei einer Wellenlänge, die ausreichend lang ist, so dass die technischen Oberflächen des Gegenstands innerhalb des Sehfeldes spiegelnd erscheinen, beispielsweise 1 bis 20 μm. Die IR-Quelle 110 ist ausreichend breitbandig, um einen begrenzten Kohärenzbereich zur Verfügung zu stellen, beispielsweise einige wenige 10 μm. Ein Diffusor 112 und eine Kollimatorlinse 114 sind zwischen der Quelle und einem Strahlteiler 120 angeordnet. Der Strahlteiler schickt einen ersten Anteil der Breitbandstrahlung entlang einem Referenzschenkel zu einem Referenzspiegel 130, und einen zweiten Anteil entlang einem Meßschenkel zu einem Meßgegenstand 114. Eine Abbildungsoptik 180 schickt die erneut durch den Strahlteiler vereinigte Strahlung an eine IR-Kamera 160. Ein Computer 150 sammelt Interferenzdaten von der IR-Kamera 160, während er die optische Wegdifferenz zwischen dem Meßschenkel und dem Referenzschenkel mit Hilfe eines piezoelektrischen Wandlers (PZT) 170 ändert, der an dem Referenzspiegel 130 angebracht ist. Die Auswirkung der PZT-Abtastung besteht darin, die Meßebene horizontal abzutasten (beispielsweise unter Bezugnahme auf die Meßebene 195). Die sich ergebenden Interferenzdaten erzeugen eine Lokalisierung von Interferenzstreifendaten um die Position mit einer Differenz der optischen Weglänge (OPD) von Null, was charakteristisch für die Interferometrie mit einer Breitbandquelle ist. Die Streifenlokalisierung dient als Einrichtung zur Bestimmung des genauen Zeitpunkts, wenn die Meßebene den Gegenstandspunkt schneidet, welcher dem Bildpixel entspricht. Die PZT-Bewegung wird exakt geregelt, so dass die Kenntnis des Zeitpunkts, an welchem sich ein bestimmter Gegenstandspunkt bei einer OPD von Null befindet, direkt in eine lokale Oberflächenhöhe umgewandelt werden kann, welche nicht die Mehrdeutigkeit aufweist, die normalerweise bei der Interferometrie vorhanden ist. Eine Kompensatorplatte 174 kompensiert die Dispersion, die von dem Strahlteiler hervorgerufen wird.
Man kann verschiedene Vorgehensweisen zur Bestimmung der Oberflächenhöhe unter Verwendung lokalisierter Interferenzstreifen einsetzen. Eine Vorgehensweise besteht beispielsweise darin, die Abtastposition des Spitzenwertes für den Streifenkontrast zu bestimmen. Man kann beispielsweise annehmen, dass Interferenzdaten für einen ersten Pixel einen Spitzenwert des Streifenkontrastes an einer Abtastposition von 0 μm erzeugt haben. Ein zweiter Pixel kann einen Spitzenwert für den Streifenkontrast an einer unterschiedlichen Abtastposition aufweisen, beispielsweise 10 μm. Die absolute Höhendifferenz zwischen den beiden Gegenstandspunkten entsprechend diesen Bildpixeln wäre daher 10 μm.
Da technische Oberflächen bei dem IR-Abtastinterferometer glatt erscheinen, ist es sinnvoll, die Interferenzphase für hohe Genauigkeit zu interpolieren, auf eine Weise, die bei der Weißlichtinterferometrie rauher Oberflächen nach dem Stand der Technik nicht möglich ist. Sobald daher die grundlegenden Abmessungen unter Verwendung des Streifenkontrastes bestimmt wurden, kann man eine höhere Genauigkeit mit Hilfe der Interferenzphase erhalten, welche nicht die Mehrdeutigkeit der Streifen aufweist. Alternativ kann man die Daten vollständig anhand von Breitband-Interferenzphasen verarbeiten, unter Verwendung der Analyseprozedur im Frequenzbereich, die im US-Patent Nr. 5,398,113 derselben Anmelderin beschrieben wird.
Es sind viele andere Ausführungsformen des IR-Abtastinterferometers möglich. Bei dem Interferometer kann es sich beispielsweise eines vom Typ Twyman-Green handeln, mit dem eine Profilmessung von Linsen, nicht-ebener Oberflächen und optischer Bauteile bei dem Schleifschritt der Herstellung durchgeführt werden kann. Eine andere Variante ist ein Interferometer des Fizeau-Typs, mit einer Kammspektrumquelle, welche periodische Kohärenzspitzenwerte zur Verfügung stellt. Eine andere Variante verwendet ein Interferenzmikroskopobjektiv des Mirau-Typs. Die Quelle kann jede Breitbandquelle sein, die im Infrarotbereich arbeitet, beispielsweise eine Quelle, die im Bereich von etwa 1 μm bis 20 μm arbeitet, oder spezieller beispielsweise von 3 bis 10 μm. Die Kohärenzlänge der Breitband-IR-Quelle kann beispielsweise im Bereich von etwa 10 bis 50 μm liegen. Geeignete Quellen umfassen einen nackten Heizfaden, eine Halogenlampe, eine chemische Quelle, einen Multimoden-CO₂-Laser, andere Laser wie beispielsweise Diodenlaser, die im Infrarotbereich arbeiten, Infrarot-LEDs usw. Der Detektor kann jeder Detektor sein, der zur Messung der IR-Strahlung geeignet ist, beispielsweise ein in Pixel aufgeteiltes Mikrobolometer, beispielsweise ein InSb-Array.
FTP-System für transparente Versuchsgegenstände
Ein optisches Profilmeßsystem 200 zur Messung einer geometrischen Eigenschaft (beispielsweise FTP) eines teilweise transparenten Versuchsteils 210 ist in 22 dargestellt. Da das Versuchsteil 210 teilweise transparent ist, können Oberflächenprofilmessungen sowohl seiner vorderen als auch hinteren Oberfläche (212 bzw. 214) unter Verwendung eines Abtastinterferometers durchgeführt werden, das einen teilweise transparenten Referenzspiegel 220 aufweist. Der Referenzspiegel 220 hat eine teilweise reflektierende, erste Oberfläche 222, die eine erste optische Bezugsebene H₁ in der Nähe der vorderen Oberfläche 212 des Versuchsteils 210 festlegt, und eine zweite Oberfläche 224, die eine zweite optische Bezugsebene H₂ in der Nähe der rückwärtigen Oberfläche 214 des Versuchsteils 210 festlegt.
Die anderen Bauteile des Systems 200 sind ähnlich wie jene in 21, mit Ausnahme der Tatsache, dass das System bei jeder Wellenlänge arbeiten kann (beispielsweise im Ultravioletten (UV), im Sichtbaren, im nahen Infrarot (NIR), und im Infraroten (IR)). Die Quelle 230 stellt Breitbandstrahlung zur Verfügung, die durch einen Diffusor 232 und einen Kollimator 234 hindurchgeht. Die kollimierte Strahlung wird durch einen Strahlteiler 240 aufgeteilt, um einen Referenzschenkel festzulegen, bei welchem ein Referenzanteil der Strahlung zum Referenzspiegel 220 geschickt wird, sowie einen Meßschenkel, bei welchem ein Meßanteil der Strahlung zum Versuchsteil 210 geschickt wird. Der Strahlteiler 240 vereinigt dann wieder die Strahlung, die vom Referenzspiegel 220 reflektiert wird, und vom Versuchsteil 210, um ein Interferogramm zu erzeugen, das durch eine Abbildungsoptik 245 auf eine Kamera 250 fokussiert wird. Die Kamera 250 zeichnet die Interferometriedaten auf, und schickt sie an den Computer 260 zur Untersuchung. Der Referenzspiegel 220 ist auf einem Abtastmechanismus 225 (beispielsweise einem piezoelektrischen Wandler oder einer motorisierten Stufe) angebracht, der mit dem Computer 260 gekuppelt ist.
Im Betrieb veranlaßt der Computer 260 den Abtastmechanismus dazu, die Position des Referenzspiegels einzustellen, und die Interferometerdaten in Abhängigkeit von der Abtastposition zu speichern. Weiterhin wird eine Kompensationsplatte 283 in dem Bezugsschenkel angeordnet, um die Dispersion zu kompensieren, die von dem Strahlteiler hervorgerufen wird.
Die optischen Bezugsebenen H₁ und H₂ werden für eine ursprüngliche Startposition für den Referenzspiegel 220 festgelegt. Als Abtastmechanismus 225 (beispielsweise ein PZT) die Position des Referenzspiegels 220 über einen Abtastbereich η einstellt, werden die Ebenen mit einer OPD (optischen Weglängendifferenz) von Null, welche den Oberflächen 221 und 222 des Referenzspiegels entsprechen, von der Position der Bezugsebenen H₁ und H₂ aus abgetastet. Wenn eine dieser Ebenen mit einer OPD von Null ein Oberflächenmerkmal des Versuchsteils während der Abtastung schneidet, wird die Interferenz von der Breitbandstrahlung optimiert (erhält man also einen Kohärenzspitzenwert in den Interferometerdaten). In der Praxis können die Interferenzdaten, welche der vorderen und hinteren Oberfläche des Versuchsteils entsprechen, dadurch voneinander unterschieden werden, wenn sich der Abstand zwischen den Oberflächen der Versuchsgegenstände von dem Abstand zwischen den Oberflächen des Referenzspiegels um mehr als die Kohärenzlänge der Breitbandquelle unterscheidet. Daher kann das System mehrere teilreflektierende Referenzspiegel aufweisen, von denen jeder an dem Abtastmechanismus angebracht ist und von diesem abgenommen werden kann, um unterschiedliche Dicken von Versuchsteilen aufzunehmen.
Daher ist die vordere Oberfläche 211 des Versuchsteils in Bezug auf die Bezugsebene H₁ profiliert, und ist die hintere Oberfläche 212 des Versuchsteils in Bezug auf die Bezugsebene H₂ profiliert. Die Beziehung zwischen den beiden Bezugsoberflächen wird durch die optische Trennung der Oberflächen 221 und 222 des Referenzspiegels festgelegt. Durch Kalibrieren des Referenzspiegels kann der Computer 260 die Beziehung zwischen den Bezugsebenen speichern, und FTP und andere geometrischen Eigenschaften für den transparenten Versuchsgegenstand 210 berechnen, auf der Grundlage der profilierten Oberfläche und der Beziehung. Derartige Berechnungen erfolgen ebenso wie jene, die voranstehend für andere Ausführungsformen beschrieben wurden. Allerdings muß die optische Weglänge innerhalb des transparenten Referenzspiegels und des Versuchsgegenstands berücksichtigt werden, die optisch dichter als die umgebende Luft oder das umgebende Gas sind.
Da jede Oberfläche des Referenzspiegels eine optische Bezugsebene festlegt, kann das optische Profilmeßsystem 200 so angesehen werden, als würde es zwei optische Profilmeßgeräte aufweisen, die im wesentlichen parallele Oberflächen eines Versuchsgegenstands von derselben Seite überwachen. Daraus wird deutlich, dass die optischen Profilmeßsysteme 200 auch für FPH-Messungen (also Stufenhöhenmessungen) eines nicht-transparenten Versuchsgegenstands eingesetzt werden können, wobei die Oberflächen des Referenzspiegels Bezugsoberflächen zur Profilmessung der Oberflächen des Versuchsteils zur Verfügung stellen, welche die Stufenhöhe festlegen.
Um den Abstand zwischen den Oberflächen des Referenzspiegels zu kalibrieren, und die Beziehung zwischen den optischen Bezugsebenen H₁ und H₂ festzulegen, kann man den Versuchsgegenstand 210 durch einen teilweise transparenten Kalibriergegenstand ersetzen, der eine vorbestimmte Dicke aufweist. Die Kalibrierung erfolgt analog zu jener, die voranstehend beschrieben wurde, und mit Endmaßen stattfindet. Weiterhin kann, ebenso wie voranstehend beschriebene Ausführungsformen, der teilweise transparente Kalibriergegenstand in dem Sehfeld während der Messungen des Versuchsteils verbleiben, um Online-Daten für die Kalibrierung zur Verfügung zu stellen. Daher kann die Dicke des Referenzspiegels vorher kalibriert werden, bevor er in das optische Profilmeßsystem 200 eingebaut wird. So kann beispielsweise der Referenzspiegel ein Bezugsformstück sein, mit welchem die anderen Versuchsgegenstände verglichen werden. Die Dicke des Bezugsformstückes kann beispielsweise durch eine sorgfältige, physikalische Messung der Dicke gemessen werden, die dann mit seinem Brechungsindex multipliziert wird, um seine optische Dicke zu erhalten. Alternativ kann das Bezugsformstück nur durch seine Funktionseigenschaften qualifiziert werden, und stellt die interessierende Größe absolute FTP-Messungen in Bezug auf das Bezugsformstück dar, ohne sich mit der exakten, tatsächlichen Dicke des Bezugsformstücks selbst zu beschäftigen.
Es wird darauf hingewiesen, dass die vorliegenden Messungen unter der Annahme stehen, dass die nominelle Dicke des Versuchsteils (oder die Stufenhöhe) größer ist als der Abtastbereich η. Wäre dies nicht der Fall, könnte ein herkömmliches Abtastinterferometer (also eines, das nur eine reflektierende Oberfläche in dem Bezugsschenkel aufweist) direkt die vordere und hintere Oberfläche (oder die Oberflächen mit einer Stufenhöhe) in Bezug auf eine einzelne Bezugsebene messen.
Allgemein werden die Oberflächenprofile der Oberflächen 221 und 222 so ausgewählt, dass sie sehr eben sind, und hierdurch ebene Bezugsoberflächen festlegen. Bei anderen Ausführungsformen kann jedoch zumindest eine der Oberflächen gekrümmt oder strukturiert sein, wie dies voranstehend beschrieben wurde.
Weiterhin kann bei zusätzlichen Ausführungsformen der Referenzspiegel durch einen teilreflektierenden Strahlteiler (zur Festlegung einer Oberfläche, welche der Oberfläche 221 entspricht) ersetzt werden, und durch ein getrenntes reflektierendes Element (zur Festlegung einer der Oberfläche 222 entsprechenden Oberfläche). Bei derartigen Oberflächen kann der Strahlteiler und/oder das getrennte reflektierende Element auf einer Translationsstufe (beispielsweise einer z-Stufe) angeordnet sein, um deren Abstand einzustellen, um hierdurch die Positionen der Bezugsebenen H₁ und H₂ einzustellen, damit das Versuchsteil aufgenommen werden kann. Die Kalibrierung und Überwachung der Beziehung zwischen den Bezugsebenen kann durch DMI-Messungen erzielt werden, bei einem DMI-Spiegel auf der z-Stufe, auf eine ähnliche Weise wie voranstehend beschrieben.
Weiterhin kann in anderen Ausführungsformen des in 22 gezeigte Abtastinterferometer des Michelson-Typs durch irgendeine andere Interferometeranordnung ersetzt werden, die für Abtast-Interferometermessungen geeignet ist (beispielsweise Twyman, Green, Mirau, usw.).
Zusätzliche Beispiele für FTP- und FPH-Systeme
23 zeigt eine Ausführungsform eines FTP-Systems 300, das auf der IR-Abtasttechnik beruht, obwohl eine entsprechende Anordnung mit Breitbandstrahlung bei anderen Wellenlängen eingesetzt werden könnte (beispielsweise Ultraviolett, Sichtbar, im nahen Infrarot, usw.). Ein Strahlteiler 320 teilt das Gesichtsfeld (FOV) auf, um in der Auswirkung zwei optische Profilmeßgeräte zur Verfügung zu stellen, die sich eine gemeinsame Quelle 310, eine gemeinsame Kamera 350, und eine gemeinsame Optik teilen (beispielsweise das Kameraobjektiv 312, den Strahlteiler 315, den Strahlteiler 320, den auf der Abtaststufe 340 angebrachten Referenzspiegel 330, und das Referenz-Endmaß 350). Das Instrument kann so angesehen werden, als würde es aus zwei Twyman-Green-Interferometern bestehen, die sich eine gemeinsame Optik teilen.
Es gibt zwei gefaltete Spiegel 360 und 370, die auf der Translationsstufe (beispielsweise z-Stufen) 362 bzw. 372 angebracht sind. Der Strahlteiler 320 weist zwei im Winkel angeordnete, den Strahl teilende Oberflächen auf. Die erste Oberfläche reflektiert einen ersten Anteil der Breitbandstrahlung zum gefalteten Spiegel 360 hin, die zweite Oberfläche reflektiert einen zweiten Anteil der Breitbandstrahlung auf den gefalteten Spiegel 370 hin, und beide Oberflächen übertragen die übrigbleibende Breitbandstrahlung an den gemeinsamen Referenzspiegel 330. Die gefalteten Spiegel 360 und 370 richten ihren jeweiligen Anteil der Breitbandstrahlung auf entgegengesetzte Außenflächen eines Versuchsgegenstands 380 und eines hohlzylindrischen Endmaßes 390. Das Endmaß 390 umgibt den Versuchsgegenstand 380, und stellt eine vordere und eine hintere Oberfläche in dem aufgeteilten Gesichtsfeld (FOV) für die Kalibrierung zur Verfügung. Im Betrieb stellen die Translationsstufen 362 und 372 die optische Weglänge der Meßschenkel ein, wobei sie in der Auswirkung die nominellen Bezugsgrößen H₁, H₂ des optischen Profilmeßgeräts in Bezug auf die Oberflächen des Versuchsteils einstellen. Der Referenzspiegel tastet den gesamten Bereich η ab, um Höhenkarten zu erzeugen.
24 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Abtast-FTP-Systems 400. Das FTP-System 400 weist einen strukturierten Referenzgegenstand 430 auf, um strukturierte Bezugsgrößen des Profilmeßgerätes zur Verfügung zu stellen. Das System enthält zwei unabhängige Twyman-Green-Interferometer 410 und 460, die durch den strukturierten Referenzgegenstand 430 verbunden sind, der den üblicheren Referenzspiegel ersetzt. Das Interferometer 410 weist eine Breitbandquelle 412 auf, eine Kamera 414, einen Strahlteiler 416, und einen gefalteten Spiegel 418. Entsprechend weist das Interferometer 460 eine Breitbandquelle 462 auf, eine Kamera 464, einen Strahlteiler 466, und einen gefalteten Spiegel 468. Es wird darauf hingewiesen, dass bei der vorliegenden Ausführungsform der strukturierte Referenzgegenstand 430 Bezugsformstück-Bezugsoberflächen für das Initialisierungs-Artefakt 445 und das Versuchsteil 450 gleichzeitig zur Verfügung stellt, so dass eine Translation oder z-Stufen nicht erforderlich sind. Anders ausgedrückt ermöglicht es die strukturierte Referenzgröße, eine gleichzeitige Profilmessung bei dem Initialisierungs-Artefakt 445 und dem Versuchsteil 450 durchzuführen. Die Abtastfunktion für diese Geometrie kann durch Verschiebung des Referenzgegenstandes erfolgen, des Versuchsteils, oder jedes anderen geeigneten optischen Bauteils.
Ist zusätzlich eine spezielle, entfernbare, strukturierte Referenzgröße für jedes interessierende Versuchsteil vorgesehen, so kann mit dem Instrument ein Bereich von Größen von Teilen gemessen werden, ohne mechanische Bewegungen in großem Maßstab. Eine vollständig charakterisierte und stabil strukturierte Referenzgröße schaltet auch das Erfordernis aus, eine häufige Neukalibrierung vorzunehmen.
25 ist eine Darstellung eines doppelseitigen, optischen FTP-Systems 500, auf der Grundlage der IR-Abtastprofilmessungstechnik und eines Heterodyn-DMI mit zwei Achsen auf HeNe-Grundlage für die Wellenlängenskala (beispielsweise ZMI 510 von der Zygo Corporation). Wie bei der Ausführungsform gemäß 23 kann eine entsprechende Anordnung von anderen Ausführungsformen verwendet werden, die Breitbandstrahlung bei anderen Wellenlängen (beispielsweise im Sichtbaren, im UV, im NIR, usw.) für die Profilmessung der Oberfläche zur Verfügung stellen.
In 25 ist die Breitband-IR-Strahlung mit durchgezogenen Linien dargestellt, und liegt in der Seitenebene, zusammen mit den entsprechenden Oberflächenprofilmessungsoptiken, wogegen die HeNe-Strahlung mit gestrichelten Linien dargestellt ist, und oberhalb und unterhalb (nicht gezeigt) der Seitenebene angeordnet ist, zusammen mit den DMI-Bauteilen, um die beiden Achsen der DMI-Metrologie zur Verfügung zu stellen.
Das optische Abtast-Profilmessungssystem in dem System 500 weist eine Quelle 510 auf, welche Breitband-IR-Strahlung zur Verfügung stellt, die durch die Linse 512 kollimiert wird, und auf einen IR-Strahlteiler 514 auftrifft. Der IR-Strahlteiler 514 teilt das Sehfeld dadurch auf, dass er einen ersten Anteil der IR-Strahlung auf Spiegel 521 auf einer ersten z-Stufe 520 reflektiert, einen zweiten Anteil der IR-Strahlung auf Spiegel 531 auf einer zweiten z-Stufe 530 reflektiert, und die verbleibende IR-Strahlung zu einem Referenzspiegel 540 durchläßt. Der Referenzspiegel 540 wird durch eine von einem PZT betätigte Biegungsstufe 542 mit kapazitiver Rückkopplung moduliert, wodurch ein Abtastbereich η von 200 μm zur Verfügung gestellt wird. Die Abtastung ist wiederholbar und benötigt weniger als 3 Sekunden zu ihrer Durchführung, was eine relativ kurze Zeit darstellt, verglichen mit der Driftrate eines der optischen Bauelemente. Die Z-Stufe 520 schickt den ersten Anteil der IR-Strahlung zum gefalteten Spiegel 522, der sie zu einer ersten Oberfläche eines Versuchsteils 550 schickt, um eine erste Betrachtungsöffnung festzulegen. Entsprechend schickt die Z-Stufe 530 den zweiten Anteil der IR-Strahlung an den gefalteten Spiegel 532, der sie zu einer zweiten Oberfläche eines Versuchsteils 550 schickt, um eine zweite Betrachtungsöffnung festzulegen. Jede der beiden z-Stufen kann eine Translationsbewegung durchführen, um die nominellen Positionen der Bezugsgrößen H₁, H₂ des optischen Profilmeßgeräts so einzustellen, dass die erste und die zweite Oberfläche des Versuchsteils aufgenommen werden. Der IR-Strahlteiler 514 vereinigt erneut die Breitbandstrahlung, die von dem Referenzspiegel und den beiden Oberflächen des Versuchsgegenstands reflektiert wird, und schickt sie zum Strahlteiler 516, der sie wiederum zu einer IR-Bilderzeugungskamera schickt (beispielsweise einem Mikrobolometer von 10 Mikrometer).
Ein ZnSe-Fenster innerhalb einer reflexionsvermindernden (AR) Beschichtung auf einer Seite und eine annähernd um 5% teilreflektierende Oberfläche auf der anderen Seite sind als ein Initialisierungs-Artefakt 544 zwischen dem gefalteten Spiegel 522 und dem Versuchsteil 550 angeordnet, wobei die teilreflektierenden Oberflächen am nächsten an dem Versuchsteil liegen. Zur Initialisierung des Instruments werden die z-Stufen so bewegt, dass der Abtastbereich η für jede der beiden Betrachtungsöffnungen die teilreflektierende Oberfläche überlappt. Bei einem Fenster 546, das zwischen dem Versuchsteil 550 und dem gefalteten Spiegel 532 angeordnet sind, sind sämtliche Oberflächen reflexionsvermindernd beschichtet.
Die Geometrie des DMI-Systems weist gewisse Unterschiede im Vergleich zur Ausführungsform von 9 auf. Insbesondere spielt der Referenzspiegel 540 in 25 im wesentlichen dieselbe Rolle wie der DMI-Spiegel M in 9.
In 25 teilt ein vertikaler Strahlteiler 562 den Strahl von einer DMI-Quelle 560 (beispielsweise Helium-Neon-Laser) auf, um zwei Achsen des DMI zur Verfügung zu stellen, die vertikal nach oberhalb und unterhalb der Seitenebene verschoben sind. Wie voranstehend erläutert ist nur ein Strahl, der nach oberhalb der Ebene verschoben ist, in der Figur dargestellt (als gestrichelte Linie). Die beiden Achsen überwachen eine Differenz der optischen Wegdifferenz (OPD) zwischen den beiden Betrachtungsöffnungen sowie irgendwelche Drehungen von Bauteilen um eine Achse parallel zur Figurenebene. Die zurückkehrenden Strahlen von Polarisationsstrahlteilern (PBSs), die oberhalb und unterhalb des IR-Strahlteilers 514 (PBS) angeordnet sind, gelangen zu einem Lichtleiteraufnehmer (FOP) 595 zur Feststellung des Signals. Nur zwei Messungen oder ”Achsen” sind dazu erforderlich, die nicht eingeschränkten Freiheitsgrade in dem optischen System zu überwachen, wie man das aus der nachstehenden Erläuterung der Auswirkungen verschiedener Drehungen starrer Körper der optischen Bauteile verstehen kann.
Die Spiegelwege 521 und 531 auf der z-Stufe 520 bzw. 530 bilden jeweils einen starren Dachspiegel. Das gleiche gilt für die beiden gefalteten Spiegel 522 und 532 in der Nähe des Teils. Die beiden Faltungen sind mechanisch so eingeschränkt, dass sie eine äußerst stabile orthogonale Beziehung aufweisen (beispielsweise < 5 μrad Drift des Relativwinkels). Irgendeine Drehung einer der Dachspiegelanordnungen um eine Vertikalachse hat keine Auswirkung auf die gemessenen Eigenschaften bezüglich FTP des Teils. Eine Drehung des Referenzspiegels oder des Strahlteilers um eine Vertikalachse ändert nur die anscheinende Längsposition des Versuchsteils, wenn man annimmt, dass die DMI-Messung der OPD die Symmetrielinie für die beiden Rererenzwege schneidet (also kein Abbé-Fehler vorhanden ist). Man kann annehmen, dass einer der Orientierungswinkel immer gleich ist, also α_WM – α_W''M'' = 0, so dass dieser Winkel nicht überwacht werden muß. Eine Drehung irgendeines der Bauteile um eine Horizontalachse wirkt sich jedoch direkt auf die anscheinende Parallelität des Teils aus; daher muß diese Drehung überwacht werden. Zwei DMI-Strahlen sind symmetrisch zur oberen und unteren Seite der Figurenebene projiziert, und berücksichtigen sowohl Drehungen um die Horizontalachse als auch die gesamte OPD des Systems.
Die DMI-Optiken umfassen zwei hochstabile, ebene Spiegelinterferometer (HSPMIs) 580 und 582, die oberhalb bzw. unterhalb des IR-Strahlteilers 514 angeordnet sind, wie dies im Einsatz 579 gezeigt ist. Für jede DMI-Achse gibt es zwei orthogonal polarisierte Strahlen, die in dem Meßweg in derselben Richtung umlaufen. HSPMI 580 weist eine PBS 570 auf, einen Würfeleckenreflektor 572, eine Viertelwellenplatte 574, und eine Halbwellenlängenplatte 576 mit halben Abmessungen. HSPMI 582 weist einen identischen Satz an optischen Bauteilen unterhalb der Seitenebene auf. Die HSPMIs verwenden die Halbwellenplatten mit halben Abmessungen anstelle der gewöhnlichen Viertelwellenplatte mit vollen Abmessungen, um die Polarisation des Meßstrahls zu drehen, so dass sämtliche Meßstrahlen linear polarisiert sind, wenn sie von den verschiedenen gefalteten Spiegeln reflektiert werden. Bei anderen Ausführungsformen können herkömmliche HSPMIs eingesetzt werden, bei denen Viertelwellenplatte mit vollen Abmessungen die Halbwellenplatte mit halben Abmessungen ersetzt.
Andere Ausführungsformen des Instruments in 25 können die strukturierten Konzepte der Bezugsgröße des Profilmeßgeräts dadurch erreichen, dass sie beispielsweise (1) einen strukturierten Referenzspiegel zur Verfügung stellen, oder (2) einen strukturierten Spiegel, ein strukturiertes Fenster oder eine andere Kombination optischer Bauteile in dem Meßweg.
26 ist ein Flußdiagramm des Meßvorgangs für das System von 25.
Die erste Spalte schreibt die Initialisierungsprozedur. Zuerst werden die z-Stufen so bewegt, dass die Initialisierungsoberflächen Z₁, Z₂ (also die innere und die äußere Reflexion von der teilreflektierenden Oberfläche des Nullebenen-Artefakts) für die Nullebene innerhalb des Abtastbereiches η beider Öffnungen der optischen Profilmeßeinrichtung gebracht werden. Dann führen die Profilmeßgeräte eine Feinabtastung über dem Bereich η durch, um Oberflächenhöhenprofile
für Initialisierungsoberflächen Z₁, Z₂ in Bezug auf die Bezugsgrößen H⁰ ₁, H⁰ ₂ des optischen Profilmeßgerätes zu akquirieren. Auf der Grundlage dieser Daten berechnet ein elektronischer Prozessor (nicht gezeigt), der mit dem System gekuppelt ist, eine Anpassung auf der Grundlage der kleinsten Fehlerquadrate der Artefakt-Ebenen Z'₁, Z'₂ an die Oberflächenprofildaten
und extrahiert aus den Höhenprofilmeßgerätedaten Z'₁, Z'₂ die Größen
Dann werden DMI-Daten für den DMI-Spiegel M⁰ in Bezug auf die interne Referenzbezugsgröße W⁰ des DMI für z-Stufenpositionen entsprechend der Initialisierung akquiriert. Aus diesen Daten extrahiert der elektronische Prozessor die ursprüngliche
Orientierung und den Abstand von M⁰ in Bezug auf W⁰, und verwendet dies, um die Beziehung zwischen den beiden Bezugsgrößen H⁰ ₁, H⁰ ₂ des optischen Profilmeßgerätes unter Verwendung von Gleichung (4) zu berechnen. Die Initialisierung stellt daher dem elektronischen Prozessor folgende Information zur Verfügung:
und
Die zweite Spalte von 26 beschreibt die Einstellung des Teils. Zuerst wird das Versuchsteil in einer Halterung oder Spannvorrichtung (nicht gezeigt) angeordnet, und dann werden die Z-Stufen so bewegt, dass die Oberflächen des Gegenstands in den Abtastbereich η des jeweiligen optischen Profilmeßgerätes gebracht werden. Falls erwünscht kann die Position des Teils dann in Bezug auf das FOV des Systems eingestellt werden.
Die dritte Spalte von 26 beschreibt die DMI-Kalibrierung. DMI-Daten werden für den DMI-Spiegel M in Bezug auf die Referenzbezugsgröße W im Inneren des DMI entsprechend den z-Stufenpositionen für das Versuchsteil gesammelt. Dann extrahiert der elektronische Prozessor α_WM, β_WM und D_WM aus den DMI-Daten, und berechnet die Beziehung zwischen den beiden Bezugsgrößen H₁, H₂ des optischen Profilmeßgerätes unter Verwendung von Gleichung (5), um Ausgangsgrößen
zu erzeugen.
Die vierte Spalte von 26 beschreibt die Datenakquisition für das Versuchsteil. Die optischen Profilmeßgeräte führen eine Abtastung über ihren Abtastbereich η durch, und bestimmen die Oberflächenhöhenprofile
der Oberflächen Σ₁, Σ₂ des Teils in Bezug auf die Bezugsgrößen H₁, H₂ des optischen Profilmeßgerätes. Der elektronische Prozessor berechnet dann
aus der Oberflächenhöhe und den Kalibrierdaten, unter Einsatz von Gleichung (1).
Die letzte Spalte von 26 beschreibt FTP-Berechnungen auf der Grundlage der akquirierten Daten. So kann beispielsweise der elektronische Prozessor die Ebenheit aus den Ergebnissen eines Chebychev-Fits an
berechnen. Die lokale Teilgröße kann entsprechend
berechnet werden. MMC kann aus den Ergebnissen eines Chebychev-Fits an das gesamte Teil
und LMC ergibt sich als der Minimalwert von
Weiterhin kann durch Festlegung einer Bezugsgröße Q, welche die äußerste Ebene wird, die sich aus dem Ergebnis des Chebychev-Fits bezüglich der Ebenheit an die Oberfläche Σ₁ ergibt, die Polarität als der hohe Punkt minus dem niedrigen Punkt auf der Oberfläche Σ₂ in Bezug auf die Bezugsgröße Q berechnet werden, kann die Dicke 1 als der Mittelwert des hohen und des niedrigen Punktes auf Σ₂ in Bezug auf Q berechnet werden, kann die Dicke 2 als der Mittelwert (max-min) von
berechnet werden; und kann die Dicke 3 als der Mittelwert von MMC und LMC berechnet werden.
Interferometrische absolute Höhenmessungen
Die hier beschriebenen optischen Profilmeßsysteme, führen eine optische Profilmessung von zwei oder mehr Oberflächen eines Versuchsgegenstands durch, um eine oder mehrere geometrische Eigenschaften des Gegenstands zu bestimmen. Bei den Oberflächen wird jeweils eine Profilmessung in Bezug auf eine feste Bezugsoberfläche oder Koordinatensystem durchgeführt, und die jeweiligen Koordinatensysteme werden dann in Beziehung zueinander gesetzt. Dies führt dazu, dass die Profilmessung der Oberfläche absolute Positionen in einem gemeinsamen Koordinatensystem für mehrere Punkte auf jeder Oberfläche zur Verfügung stellt. Dies steht im Gegensatz zu Relativmessungen des Oberflächenprofils, bei denen die Höhe einiger Punkte auf der Oberfläche in Bezug auf andere Punkte auf der Oberfläche bestimmt wird, um so die Textur der Oberfläche zu messen. Bei der optischen Profilmessung, die hier beschrieben wird, stellen die Messungen die Gesamtposition (Kolben), die Neigung und die Verkantung des Gegenstands in Bezug auf die Bezugsoberfläche zur Verfügung (also eine Referenzoberfläche unabhängig von dem Versuchsteil), zusätzlich dazu, dass die Form und die Textur der Oberfläche zur Verfügung gestellt werden.
Die Genauigkeit derartiger interferometrischer Absolutmessungen des Oberflächenprofils kann dadurch verbessert werden, dass die Phasenänderung bei der Reflexion (PCOR) und die PCOR-Dispersion (also die frequenzabhängigen Änderungen der PCOR) des Oberflächenmaterials des Versuchsteils und der Optik des Interferometersystems berücksichtigt werden. Wie nachstehend erläutert wird, wenn die PCOR-Dispersion in Abtastinterferometermessungen nicht berücksichtigt wird, selbst bei Versuchsteilen, die gleichförmige PCOR-Dispersionseigenschaften aufweisen, eine enorme Verschiebung der Entfernung von der Bezugsoberfläche zu der Versuchsoberfläche erzeugt. Weiterhin kann, wenn sich die PCOR-Eigenschaften der Versuchsoberfläche ändern, da die Versuchsoberfläche unterschiedliche Materialien enthält, der Fehler der Berücksichtigung der PCOR-Dispersion Fehler bei den relativen Höhen unterschiedlicher Punkte auf der Versuchsoberfläche hervorrufen.
Die Interferometerbeiträge bei PCOR und der PCOR-Dispersion werden unter Bezugnahme auf ein Abtast-Michelson-Interferometer 600 mit zwei Strahlen (27) erläutert. Das Abtastinterferometer 600 arbeitet ähnlich wie jene, die voranstehend beschrieben wurden, um das Höhenprofil der Versuchsoberfläche 670 zu messen. Das Interferometer 600 weist eine Breitbandquelle 610 auf, einen Strahlteiler 620, einen Abtastreferenzspiegel 630, eine Kamera 640, und einen Dispersionskompensator 650. Das Interferometer ist so ausgebildet, dass es eine Höhe h in Richtung der z-Koordinate an jedem Punkt x, y auf der Oberfläche eines Gegenstands unter Verwendung von Interferenzphaseninformation mißt. Die virtuelle Oberfläche H ist die Bezugsgröße des optischen Profilmeßgeräts, auf welche sämtliche Höhen- und Interferenzphasenmessungen bezogen sind. Bis zur ersten Ordnung in der Winkelwellenzahl k = 2π/λ ist die Interferenzphase ϕ in Bezug auf H gleich ϕ(k) = 2nk(h – ζ) + (γ_part + γ_sys) + (τ_part + τ_sys)(k – k₀), (9) wobei k₀ die nominelle Wellenzahl ist, ζ die Referenzspiegelabtastposition, γ_part die Phasenänderung des Teils bei Reflexion (PCOR) ist, und γ_sys der Systemphasenoffset in Bezug auf H ist, der dem Interferometersystem zugeschrieben werden kann. Der Wert γ_sys enthält PCOR-Beiträge von der Interferometeroptik und irgendwelche konstanten Offsets, die beispielsweise infolge der Startposition des Scans ζ auftreten. Die linearen Dispersionskoeffizienten τ_part und τ_sys entsprechen dem Phasenoffset γ_part bzw. γ_sys. Die Phasenoffsets γ_part, γ_sys werden bei der nominellen Wellenzahl k₀ berechnet. Der Brechungsindex n für Luft wird als unabhängig von der Wellenzahl angenommen. Fachleute auf diesem Gebiet werden merken, dass die Lehren gemäß der Erfindung dadurch auf dichtere transparente Medien als Luft erweitert werden können, dass die Wellenzahlabhängigkeit des Brechungsindex des Materials berücksichtigt wird. Sämtliche Terme in Gleichung 9 sind potentiell eine Funktion der Feldposition x, y, obwohl für die folgende Beschreibung von den Variablen n, ζ, k₀ angenommen wird, dass sie über das Sehfeld konstant sind.
Bei Abtastinterferometermessungen stellt die Lichtquelle Breitbandstrahlung zur Verfügung, so dass Interferenzstreifen nur erzeugt werden, wenn die optische Wegdifferenz (OPD) zwischen dem Referenzschenkel und dem Meßschenkel innerhalb der Kohärenzlänge der Breitbandstrahlung liegt. Daher können Abtast-Interferometermessungen als eine Betriebsart der ”Kohärenzprofilmessung” angesehen werden, da sie die breitbandige Eigenschaft des Interferenzeffekts nutzt, beispielsweise die Lokalisierung des Streifenkontrasts, oder entsprechend, die Messung der Änderungsrate der Interferenzphase in Abhängigkeit von der Wellenzahl.
28 zeigt ein Beispiel für ein Kohärenzprofilmessungsintensitätssignal, wenn die Referenzspiegelposition ζ gescannt wird. Gemäß Gleichung 9 führen die sich überlappenden Interferenzstreifen für die verschiedenen Emissionen der Breitbandquelle zu einer normierten Intensität I, die gegeben ist durch I = l + V[h + (τ_sys + τ_part)/2n – ζ]cos[2nk₀(h – ζ) + γ_part + γ_sys] (10) wobei V die Streifenkontrasthüllkurve ist. Die Hüllkurve V ist proportional zur Fouriertransformierten der Spektralverteilung des Lichts, wie es von der Kamera gemessen wird, einschließlich der spektralen Empfindlichkeit der Kamera selbst. In 28 wird angenommen, dass die Lichtquelle eine symmetrische, annähernd Gauss-förmige spektrale Emission aufweist.
Für eine symmetrische Kontrasthüllkurve ergibt sich der Spitzenwert der Streifenkontrasthüllkurve durch jene Abtastposition, für welche gilt dϕ/dk = 0. Dies ist die Position der stationären Phase, an welcher die Interferenzphase unabhängig von der Wellenzahl gleich ist, und sämtliche Interferenzmuster konstruktiv interferieren. Allgemeiner läßt sich zeigen, dass die Bedingung dϕ/dk = 0 für die stationäre Phase annähernd dem Schwerpunkt des Quadrats der Streifenkontrasthüllkurve V entspricht. Der Phasenabstand G zwischen der Position der stationären Phase und der nächsten Position ϕ = 0 für einen Nullphasenpunkt ist gegeben durch G = (γ_part + γ_sys) – k₀(τ_sys + τ_part). (11)
Dies ist ein konstanter Phasenoffset, unabhängig von der Wellenzahl k, jedoch abhängig von den Parametern des Systems und des Teils. Die Phase ϕ₀ ist die Phase bei der nominellen Wellenzahl k₀ (in Bezug auf eine Abtastposition ζ = 0), so dass man beispielsweise aus Gleichung (9) erhält ϕ₀ = 2nk₀h + (γ_part + γ_sys). (12)
Aus Gleichung 10 und 28 wird ersichtlich, dass der maximale oder Streifenkontrastspitzenwert an der Scanposition ζ = h + (τ_sys + τ_part)/2n auftritt. Bei einer Datenverarbeitungsausführungsform bestimmt daher das System die Streifenkontrasthüllkurve V als Funktion von ζ, beispielsweise durch elektronische oder digitale Umwandlung, für jeden Kamerapixel. Es bestimmt dann die Scanposition ζ_max, für welche die Hüllkurve V einen bestimmten Wert annimmt, beispielsweise ihren maximalen oder Spitzenwert. Die entsprechende Höhe ist diese Scanposition minus der Dispersionsoffset: h = ζ_max – (τ_sys – τ_part)/2n. (13)
Bei einem anderen Signalverarbeitungsverfahren wird mit dem Kohärenzprofilmessungsintensitätssignal eine Fouriertransformation in Bezug auf die Scanposition ζ in dem Frequenzbereich durchgeführt (also in Bezug auf die Frequenzwellenzahl k). Die Phase der transformierten Daten entspricht direkt der Phase ϕ(k) in Gleichung 9. Aus dieser Phase berechnet der Signalprozessor die Phasenableitung dϕ/dk, und bestimmt die Höhe h für jeden Kamerapixel gemäß: h = 1 / 2n dϕ / dk – (τ_sys – τ_part)/2n (14) wobei die Ableitung dϕ/dk für ζ = 0 berechnet wird. Gleichung 14 folgt direkt auf Gleichung 9.
Aus den Gleichungen (13) und (14) wird ersichtlich, dass Oberflächenhöhenmessungen auf der Grundlage von Kohärenzprofilmessungsdaten exakter berechnet werden können, wenn beispielsweise durch Kalibrierung die PCOR-Dispersion des Interferometersystems und des Versuchsteils berücksichtigt wird (beispielsweise τ_sys bzw. τ_part).
Zusätzlich zur Kohärenzprofilmessung können Oberflächenprofilmessungen auch auf Interferometerphasenprofilmessungsdaten beruhen, bei welchen die interferometrische Phase ϕ/k direkt für eine oder mehrere Wellenzahlen k gemessen wird. Beispielsweise können Verfahren der Phasenverschiebungsinterferometrie (PSI) bei derartigen Messungen eingesetzt werden. Aus Gleichung 9 wird deutlich, dass dann, wenn direkte interferometrische Phasenmessungen dazu verwendet werden, die Höhe h zu bestimmen, die Berücksichtigung von PCOR, γ_part und γ_sys (und der PCOR-Dispersion τ_part und τ_sys für Wellenzahlen ungleich der nominellen Wellenzahl k₀) die Genauigkeit der Höhenmessung verbessert.
Allgemein unterscheidet sich die Empfindlichkeit auf spezielle Rauschquellen für Kohärenzprofilmessungen von jener für Phasenprofilmessungen, so dass eine bestimmte Vorgehensweise für eine bestimmte Anwendung vorzuziehen sein kann, oder die Vorgehensweisen so eingesetzt werden können, dass sie sich ergänzen. Ein Nachteil vieler Phasenprofilmessungen ist allerdings die Tatsache, dass die gemessene Phase ϕ(k) eine Streifenmehrdeutigkeit von 2π aufweist. Für relativ glatte Oberflächen kann die relative Streifenmehrdeutigkeit über die Oberfläche aus den Daten mehrerer Kamerapixel interpoliert werden, unter Verwendung standardmäßiger Streifenentfaltungsprozeduren. Allgemeiner ist es jedoch vorzuziehen, wenn eine unabhängige Messung vorhanden ist, beispielsweise Kohärenzprofilmessungsdaten, um eine derartige Streifenmehrdeutigkeit auszuschalten. Um absolute Oberflächenprofilmessungen zu erhalten, kann daher die Kohärenzprofilhöhenmessung allein eingesetzt werden, oder kann dazu verwendet werden, die absolute Streifenmehrdeutigkeit bei der Phasenprofilmessung auszuschalten, was in einigen Fällen genauer sein kann als die Kohärenzmessung.
Bei einer derartigen Ausführungsform wird die Höhe h, die aus einer Kohärenzprofilmessung bestimmt wird, dazu verwendet, eine absolute Phasenprofilhöhenmessung h' auf der Grundlage von Phasenprofilmessungsdaten für die Phase ϕ₀ = ϕ(k₀) zu berechnen, gemäß
wobei Int[] die am nächsten am Argument liegende ganze Zahl ist. Gleichung 15 kann unabhängig bei jedem Punkt x, y auf der Oberfläche des Teils angewendet werden. Erneut, wie aus Gleichung 15 hervorgeht, verbessert die Berücksichtigung von PCOR, γ_part und γ_sys die Genauigkeit der absoluten Phasenprofilmessung. Darüber hinaus hängt Gleichung 15 implizit von den PCOR-Dispersionswerten τ_part und τ_sys ab, durch die Bestimmung von h mittels Kohärenzprofilmessung.
29 zeigt graphisch, wie die frequenztransformierten Kohärenzprofilmessungsdaten ϕ(k) die Streifenmehrdeutigkeit einer Phasenprofilmessung ausschalten. Die Linie dϕ/dk, welche die Änderungsrate der Phase angibt, wird dadurch ermittelt, dass einige wenige Phasendatenpunkte um ϕ₀ herum bestimmt werden. Die Linie schaltet die Mehrdeutigkeit der Ordnung der Streifen aus, unter der Voraussetzung, dass man den Punkt G, an dem Phasenachse geschnitten wird, für die Linie entsprechend Gleichung 11 kennt. Die Berechnung erfolgt für eine Referenzscanposition ζ = 0, obwohl die Rohdaten zur Bestimmung der Phase und die Phasenableitungsdaten einen Scan benötigen, beispielsweise jenen, der in 28 gezeigt ist. Es wird darauf hingewiesen, dass in diesem Graphen der Abstand G der Schnittpunkt mit der Phasenachse ist, also die Phase bei der Wellenzahl Null.
Um die voranstehenden Ausdrücke zur Berechnung absoluter Höhenmessungen einzusetzen, werden Werte für PCOR und die PCOR-Dispersion für das System und das Teil bestimmt. Die Prozedur, die γ_sys, τ_sys festlegt, ist eine Systemcharakterisierung. Die Systemcharakterisierung legt auch implizit den Ort und die Form der Bezugsgröße H des optischen Profilmeßgeräts fest. Die Systemcharakterisierung umfaßt ein Charakterisierungs-Artefakt, das bekannte optische Eigenschaften γ_art, τ_art und eine Oberflächenform h_art aufweist. Das Artefakt wird zeitweilig in das Sehfeld eingefügt, und eine Messung des x, y-abhängigen Phasenprofils ϕ₀ stellt die erforderliche Information zur Bestimmung des Systemphasenoffsets γ_sys zur Verfügung: γ_sys = ϕ₀ – γ_art – 2nk₀h_art, (16) wobei, darauf hingewiesen wird, dass sämtliche Werte potentiell eine x, y-Feldabhängigkeit aufweisen. Es wird darauf hingewiesen, dass das Phasenprofil p0 entfaltet werden muß, was bedeutet, dass Streifensprünge von 2π unter der Annahme entfernt werden müssen, dass das Artefakt eine kontinuierliche Oberfläche ist.
Die durch Gleichung (16) definierte Prozedur führt in der Auswirkung dazu, dass die Bezugsgröße H des optischen Profilmeßgeräts an der Oberfläche des Ursprungs der vorher festgelegten Oberflächenprofilkarte h_art angeordnet wird. Wenn man daher beispielsweise von dem Artefakt weiß, dass es perfekt eben ist, kann man hart = 0 für sämtliche x, y setzen, und wird die Bezugsgröße H des optischen Profilmeßgeräts als eine Ebene definiert, die mit der Oberfläche des Charakterisierungs-Artefakts zusammenfällt. Jede Neigung/Verkantung oder unberücksichtigte Oberflächenprofilinformation wäre in diesem Fall in dem Systemphasenoffset γ_sys enthalten.
Sobald γ_sys bekannt ist, kann der Wert von τ_sys folgendermaßen bestimmt werden τ_sys = (γ_art + γ_sys – G_ex)/k₀ – τ_art (17) wobei G_ex der experimentell beobachtete Phasenabstand ist (vgl. 29):
Auch hier wird bei sämtlichen Werten, mit Ausnahme von n und k₀, erwartet, dass sie eine x, y-Feldabhängigkeit aufweisen, die mit optischen Verzerrungen zusammenhängt, beispielsweise der chromatischen und der sphärischen Aberration. Es kann auch eine Abhängigkeit von der Neigung und der Verkantung des Teils vorhanden sein, die dann, wenn sie substantiell ist, aufgezeichnet werden muß, und bei den verbleibenden Berechnungen im wesentlichen ebenso wie die x, y-Feldabhängigkeit eingesetzt werden muß.
Es ist nicht erforderlich, die Gesamtwerte für Neigung, Verkantung und Kolben der Systemparameter γ_sys, τ_sys beizubehalten, die zum Teil eine Funktion des Ortes und der Orientierung des Charakterisierungs-Artefaktes selbst sind. Es ist daher zulässig, gemeinsame Neigungs-, Verkantungs- und Kolbenterme von den feldabhängigen Daten für γ_sys, τ_sys zu subtrahieren, soweit dies auf exakt dieselbe Weise sowohl für γ_sys als auch für τ_sys vorgenommen wird, damit die Beziehung zwischen diesen Termen beibehalten bleibt. Dies wird dadurch durchgeführt, dass zuerst Neigung/Verkantung aus γ_sys entfernt werden, und dann unter Verwendung von Gleichung (17) τ_sys erneut berechnet wird. Die Einstellung der Neigung, der Verkantung und des Kolbens der Systemparameter entspricht der Einstellung der Neigung, der Verkantung und des Kolbens der Bezugsgröße H des optischen Profilmeßgeräts.
Alternativ, wenn man die Gesamtwerte für Neigung, Verkantung und Kolben der Systemparameter γ_sys, τ_sys beibehält, und wenn das Initialisierungs-Artefakt identisch zum Charakerisierungs-Artefakt ist, ist es möglich, einen oder mehreren der ursprünglichen geometrischen Parameter auf Null zu setzen, beispielsweise
unter der Erkenntnis, dass diese Parameter für Neigung, Verkantung und Kolben bereits in γ_sys, τ_sys enthalten sind.
Es gibt verschiedene Optionen für ein Charakterisierungs-Artefakt. Die einfachste ist ein unbeschichtetes Glasteil oder ein anderes reines Dielektrikum. In diesem Fall weiß man mit großer Sicherheit, dass γ_art = 0 und (abgesehen von Neigung und Verkantung) τ_art = 0 ist für alle x, y. Wenn man dann annimmt, dass das Artefakt exakt dieselbe Form aufweist wie die Bezugsgröße für das optische Profilmeßgerät, die eingestellt werden soll, so gilt einfach γ_sys = ϕ₀ (ebenes dielektrisches Artefakt) und τ_sys = G_ex (dielektrisches Artefakt). Es wird darauf hingewiesen, dass der erstgenannte Ausdruck den Ort und die Form der optischen Bezugsgröße H so definiert, dass sie identisch zum Ort und der Oberflächenform des dielektrischen Artefakts selbst sind.
Ist das Artefakt ausreichend transparent, kann es in dem Meßweg als permanentes Teil des Systems verbleiben. Zum Charakterisieren des Systems führt der Referenzspiegel eine Abtastung zu einer Position durch, bei welcher die teilweise Reflexion der Oberfläche des transparenten Artefakts Interferenz erzeugt. Zum Messen des Versuchsteils führt der Referenzspiegel einen Scan zu einer Position durch, bei welcher die Interferenzeffekte von dem transparenten Artefakt einen Kontrast von nahezu Null aufweisen. In diesem Fall muß sorgfältig darauf geachtet werden, die Differenz zwischen der Phasenänderung bei der Reflexion und der Phasenänderung bei der Transmission für die Charakterisierungsoberfläche zu berücksichtigen.
PCOR-Werte γ_part des Teils können aus wohlbekannten physikalischen Grundlagen berechnet werden, welche die Reflexion von einer Grenzfläche betreffen (beispielsweise die Fresnel-Gleichungen), und aus tabulierten Werten für den komplexen Brechungsindex n + ik des Materials des Teils. Der PCOR-Dispersionswert τ_part des Teils kann auf entsprechende Art und Weise wie bei der Systemcharakterisierung bestimmt werden, unter Verwendung des experimentell beobachteten Phasenabstands G_ex und bekannter Werte für γ_part und τ_sys: τ_part = (γ_part – G_ex)/2nk₀ – τ_sys (19)
Bei den meisten reinen Materialien wird erwartet, dass der Höhenoffset τ_part/2n in derselben Größenordnung liegt wie γ_part/2nk₀, und dasselbe Vorzeichen aufweist. Ein alternatives Verfahren zur Bestimmung von τ_part besteht in der Berechnung der Dispersion berechneter PCOR-Werte, unter Verwendung tabulierter Werte für n + ik als Funktion der Wellenlänge.
Elektronische Prozessoren
Für jede der voranstehend geschilderten Ausführungsformen können ein oder mehrere Steuerungen oder Computer dazu verwendet werden, verschiedene Bauteile zu steuern (beispielsweise Abtastspiegel und z-Stufen), Daten zu akquirieren (beispielsweise von einer IR-Kamera und einem DMI-Detektor), und/oder Berechnungen durchzuführen (beispielsweise FTP, FTPO und FPH), auf der Grundlage der akquirierten Daten. Die voranstehend geschilderten Untersuchungsschritte können in Computerprogrammen implementiert sein, unter Verwendung üblicher Programmierverfahren. Derartige Programme sind so ausgelegt, dass sie auf programmierbaren Computern ablaufen, die jeweils einen elektronischen Prozessor aufweisen, ein Datenspeichersystem (einschließlich Speicher und/oder Speicherelemente), zumindest ein Eingabegerät, und zumindest ein Ausgabegerät, beispielsweise eine Anzeige oder einen Drucker. Der Programmcode wird auf Eingangsdaten (beispielsweise Bildern von der Kamera) angewendet, um die hier beschriebenen Funktionen durchzuführen, und Ausgabeinformation zu erzeugen (beispielsweise geometrische Eigenschaften des Versuchsgegenstands), die einem oder mehreren Ausgabegeräten zugeführt wird. Jedes derartige Computerprogramm kann in einer prozeduralen oder Objektorientierten Programmiersprache auf hohem Niveau implementiert sein, oder in einer Assembler- oder Maschinensprache. Weiterhin kann die Sprache eine kompilierte oder interpretierte Sprache sein. Jedes derartige Computerprogramm kann auf einem computerlesbaren Speichermedium (beispielsweise CD-ROM oder Magnetdiskette) gespeichert sein, welches dann, wenn es von einem Computer gelesen wird, den Prozessor in dem Computer dazu veranlassen kann, die hier beschriebene Untersuchung durchzuführen.
Andere Ausführungsformen
Andere Ausführungsformen liegen innerhalb des Umfangs der Erfindung. So können beispielsweise, anstatt der, oder zusätzlich zu, Kalibrierung der Koordinatensysteme der optischen Profilmeßgeräte unter Verwendung eines Endmaßes oder eines Verschiebungsmeßinterferometers, andere Ausführungsformen kapazitive Sensoren aufweisen, LVDT, und/oder optische Kodierer, um die Koordinatensysteme zu überwachen, die durch die optischen Profilmeßgeräte und das Versuchsteil definiert werden.
Andere Aspekte, Vorteile und Abänderungen sind vom Umfang der folgenden Patentansprüche umfaßt.

Claims

Verfahren zur Bestimmung einer geometrischen Eigenschaft eines Versuchsgegenstands, wobei das Verfahren umfaßt: interferometrische Profilmessung einer ersten Oberfläche eines Versuchsgegenstands in Bezug auf eine erste Bezugsoberfläche; interferometrische Profilmessung einer zweiten Oberfläche des Versuchsgegenstands in einem zweiten Koordinatensystem in Bezug auf eine zweite Bezugsoberfläche, die von der ersten Bezugsoberfläche verschieden ist; Bereitstellung einer räumlichen Beziehung zwischen der ersten und der zweiten Bezugsoberfläche; und Berechnen der geometrischen Eigenschaft auf der Grundlage der Oberflächen, bei denen eine interferometrische Profilmessung durchgeführt wurde, und der räumlichen Beziehung zwischen der ersten und der zweiten Bezugsoberfläche, wobei die erste und die zweite Oberfläche entgegengesetzten Außenflächen des Versuchsgegenstands entsprechen, benachbarten Außenflächen entsprechen, die durch eine Stufenhöhe getrennt sind, oder nominell nicht parallel sind.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die interferometrische Profilmessung der ersten Oberfläche eine Entfernung zu jedem von mehreren Punkten auf der ersten Oberfläche gegenüber einem entsprechenden Punkt auf der ersten Bezugsoberfläche ergibt.
Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem die interferometrische Profilmessung der zweiten Oberfläche eine Entfernung zu jedem von mehreren Punkten auf der ersten Oberfläche gegenüber einem entsprechenden Punkt auf der ersten Bezugsoberfläche ergibt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die erste Bezugsoberfläche ein Abschnitt einer Ebene ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die erste Bezugsoberfläche gekrümmt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die erste Bezugsoberfläche ein strukturiertes Profil aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die erste Oberfläche von der zweiten Oberfläche beabstandet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die erste und die zweite Oberfläche entgegengesetzten Außenflächen des Versuchsgegenstands entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die erste und die zweite Oberfläche benachbarten Außenflächen des Versuchsgegenstands entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die erste und die zweite Oberfläche benachbarte Außenflächen sind, die durch eine Stufenhöhe getrennt sind.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die erste und die zweite Oberfläche gegeneinander um eine Entfernung verschoben sind, die größer ist als ein Bereich der interferometrischen Profilmessung der ersten Oberfläche, und größer als ein Bereich der interferometrischen Profilmessung der zweiten Oberfläche.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die interferometrische Profilmessung der ersten Oberfläche das Richten elektromagnetischer Strahlung auf die erste Oberfläche entlang einer ersten Richtung umfaßt, und die interferometrische Profilmessung der zweiten Oberfläche das Richten elektromagnetischer Strahlung auf die zweite Oberfläche entlang einer zweiten Richtung umfaßt, die von der ersten Richtung verschieden ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die interferometrische Profilmessung der ersten Oberfläche das Anordnen des Versuchsgegenstands in Bezug auf ein Interferometersystem umfaßt, und die interferometrische Profilmessung der zweiten Oberfläche die erneute Positionierung des Versuchsgegenstands in Bezug auf zumindest ein Bauteil des Interferometersystems umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 13, bei welchem die erneute Positionierung des Versuchsgegenstands in Bezug auf das Interferometersystem die Bewegung des Versuchsgegenstands umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 13, bei welchem die erneute Positionierung des Versuchsgegenstands in Bezug auf das Interferometersystem die Bewegung des zumindest einen Bauteils des Interferometersystems umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Beziehung zwischen der ersten und der zweiten Bezugsoberfläche durch eine Entfernung zwischen entsprechenden Referenzpunkten auf der ersten und zweiten Bezugsoberfläche festgelegt ist, und zwei Winkel eine relative Orientierung der ersten und zweiten Bezugsoberfläche festlegen.
Verfahren nach Anspruch 1, welches weiterhin die Bestimmung der räumlichen Beziehung zwischen der ersten und zweiten Bezugsoberfläche umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 17, bei welchem die Bestimmung der Beziehung zwischen dem ersten und dem zweiten Koordinatensystem umfaßt: interferometrische Profilmessung einer ersten Oberfläche eines Referenzgegenstands in Bezug auf die erste Bezugsoberfläche; interferometrische Profilmessung einer zweiten Oberfläche des Referenzgegenstands in Bezug auf das zweite Koordinatensystem; Bereitstellung zumindest einer kalibrierten Abmessung für den Referenzgegenstand; und Berechnung der räumlichen Beziehung zwischen der ersten und der zweiten Bezugsoberfläche auf der Grundlage der Oberflächen, bei denen eine Profilmessung vorgenommen wurde, und der zumindest einen kalibrierten Abmessung.
Verfahren nach Anspruch 18, welches weiterhin die Auswahl des Referenzgegenstands entsprechend annähernden Abmessungen des Versuchsgegenstands umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 1, welches weiterhin die Bestimmung der räumlichen Beziehung zwischen der ersten und der zweiten Bezugsoberfläche auf der Grundlage zumindest einer interferometrischen Verschiebungsmessung umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 20, welches weiterhin die Bestimmung der räumlichen Beziehung auf der Grundlage zumindest einer interferometrischen Entfernungsmessung und einer ursprünglichen Kalibrierung umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 20, welches weiterhin die Einstellung zumindest entweder der ersten oder der zweiten Bezugsoberfläche umfaßt, um die interferometrische Profilmessung der ersten und zweiten Oberfläche des Versuchsgegenstands zu ermöglichen, und das interferometrische Messen der Einstellung zumindest entweder der ersten oder der zweiten Bezugsoberfläche, um die räumliche Beziehung zwischen der ersten und der zweiten Bezugsoberfläche zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 15, welches weiterhin die interferometrische Messung der Bewegung des zumindest einen Bauteils des Interferometersystems umfaßt, und die räumliche Beziehung zwischen der ersten und der zweiten Bezugsoberfläche zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 17, bei welchem die Bestimmung der räumlichen Beziehung umfaßt: interferometrische Profilmessung einer ersten Oberfläche eines Initialisierungs-Artefakts in Bezug auf die erste Bezugsoberfläche; interferometrische Profilmessung einer zweiten Oberfläche des Initialisierungs-Artefakts in Bezug auf die zweite Bezugsoberfläche; Berechnung einer ursprünglichen räumlichen Beziehung zwischen der ersten und der zweiten Bezugsoberfläche auf der Grundlage zumindest der Oberflächen, bei denen eine Profilmessung vorgenommen wurde, des Initialisierungs-Artefakts; Einstellung der ersten und der zweiten Bezugsoberfläche, um die erste und die zweite Oberfläche des Versuchsgegenstands aufzunehmen; und interferometrische Messung zumindest einer Verschiebung entsprechend der Einstellung der ersten und zweiten Bezugsoberfläche.
Verfahren nach Anspruch 24, bei welchem die erste und die zweite Oberfläche des Initialisierungs-Artefakts die Vorderseite und die Rückseite einer gemeinsamen Grenzfläche sind.
Verfahren nach Anspruch 24, welches weiterhin die Bereitstellung zumindest einer kalibrierten Abmessung für das Initialisierungs-Artefakt umfaßt, und bei welchem die Berechnung der ursprünglichen Beziehung auf den Oberflächen, bei denen eine Profilmessung vorgenommen wurde, des Initialisierungs-Artefakts und der zumindest einen kalibrierten Abmessung beruht.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die geometrische Eigenschaft die Ebenheit des Versuchsgegenstands ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die geometrische Eigenschaft die Dicke des Versuchsgegenstands ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die geometrische Eigenschaft die Parallelität des Versuchsgegenstands ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die geometrische Eigenschaft eine Stufenhöhe ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die geometrische Eigenschaft die Winkelorientierung der ersten Oberfläche relativ zur zweiten Oberfläche ist.
Verfahren nach Anspruch 31, bei welchem die geometrische Eigenschaft die Senkrechtheit der ersten und zweiten Oberfläche ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die geometrische Eigenschaft die Rundheit des Versuchsgegenstands ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die geometrische Eigenschaft durch Positionen in einem gemeinsamen Koordinatensystem mehrerer Punkte auf der ersten Oberfläche und mehrerer Punkte auf der zweiten Oberfläche festgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die interferometrische Profilmessung zumindest entweder der ersten oder der zweiten Oberfläche die Durchführung einer Abtast-Weißlicht-Interferometrie umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die interferometrische Profilmessung zumindest entweder der ersten oder der zweiten Oberfläche die Durchführung von Infrarot-Abtast-Interferometrie umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die interferometrische Profilmessung zumindest entweder der ersten oder der zweiten Oberfläche die Durchführung von Abtast-MESA-Interferometrie umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die interferometrische Profilmessung zumindest entweder der ersten oder der zweiten Oberfläche die Durchführung einer Abtastinterferometrie mit streifendem Einfall umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die interferometrische Profilmessung zumindest entweder der ersten oder der zweiten Oberfläche die Durchführung einer Mehrfachwellenlängeninterferometrie umfaßt.
Einrichtung zur Bestimmung einer geometrischen Eigenschaft eines Versuchsgegenstands, wobei die Einrichtung aufweist: eine Vorrichtung zur interferometrischen Profilmessung einer ersten Oberfläche des Versuchsgegenstands in Bezug auf eine erste Bezugsoberfläche; eine Vorrichtung zur interferometrischen Profilmessung einer zweiten Oberfläche des Versuchsgegenstands in Bezug auf eine zweite Bezugsoberfläche, die von dem ersten Bezugssystem verschieden ist; und eine Vorrichtung zur Berechnung der geometrischen Eigenschaft auf der Grundlage der Oberflächen, bei denen eine interferometrische Profilmessung vorgenommen wurde, und einer räumlichen Beziehung zwischen der ersten und zweiten Bezugsoberfläche, wobei die Einrichtung ausgelegt ist, eine geometrische Eigenschaft des Versuchsgegenstands zu bestimmen, bei dem die erste und die zweite Oberfläche entgegengesetzten Außenflächen entsprechen, benachbarten Außenflächen entsprechen, die durch eine Stufenhöhe getrennt sind, oder nominell nicht parallel sind.
Einrichtung nach Anspruch 40, welche weiterhin aufweist: eine Vorrichtung zur Bestimmung der räumlichen Beziehung zwischen der ersten und der zweiten Bezugsoberfläche.
Einrichtung zur Bestimmung einer geometrischen Eigenschaft eines Versuchsgegenstands, wobei die Einrichtung aufweist: ein interferometrisches Profilmeßsystem, welches im Betrieb eine interferometrische Profilmessung einer ersten Oberfläche des Versuchsgegenstands in Bezug auf eine erste Bezugsoberfläche durchführt, und eine interferometrische Profilmessung einer zweiten Oberfläche des Versuchsgegenstands in Bezug auf eine zweite Bezugsoberfläche durchführt, die von der ersten Bezugsoberfläche verschieden ist; und einen elektronischen Prozessor, der mit dem interferometrischen Profilmeßsystem gekuppelt ist, wobei im Betrieb der elektronische Prozessor die geometrische Eigenschaft berechnet, auf der Grundlage der Oberflächen, bei denen eine interferometrische Profilmessung vorgenommen wurde, und einer räumlichen Beziehung zwischen der ersten und zweiten Bezugsoberfläche, wobei die erste und die zweite Oberfläche entgegengesetzten Außenflächen des Versuchsgegenstands entsprechen, benachbarten Außenflächen entsprechen, die durch eine Stufenhöhe getrennt sind, oder nominell nicht parallel sind, und das interferometrische Profilmeßsystem ein interferometrisches optisches Profilmeßsystem aufweist, das eine erste Betrachtungsöffnung zur Betrachtung der ersten Oberfläche des Versuchsgegenstands und eine zweite Betrachtungsöffnung zur Betrachtung der zweiten Oberfläche des Versuchsgegenstands aufweist.
Einrichtung nach Anspruch 42, bei welcher das interferometrische Profilmeßsystem eine Halterung zum Haltern des Versuchsgegenstands aufweist, wobei die Halterung zwischen einer ersten Position zum Freilegen der ersten Oberfläche des Versuchsgegenstands und zur Festlegung der Bezugsoberfläche sowie einer zweiten Position zum Freilegen der zweiten Oberfläche des Versuchsgegenstands und zur Festlegung der zweiten Bezugsoberfläche einstellbar ist.
Einrichtung nach Anspruch 42, bei welchem das optische Profilmeßsystem eine erste Kamera aufweist, die so angeordnet ist, dass sie ein Sehfeld für die erste Betrachtungsöffnung aufzeichnet, sowie eine zweite Kamera, die so angeordnet ist, dass sie ein Sehfeld für die zweite Betrachtungsöffnung aufzeichnet.
Einrichtung nach Anspruch 42, bei welcher das optische Profilmeßgerät eine Kamera aufweist, die so angeordnet ist, dass sie ein aufgeteiltes Sehfeld für die erste und die zweite Betrachtungsöffnung aufzeichnet.
Einrichtung nach Anspruch 42, bei welcher das optische Profilmeßgerät zumindest eine Quelle elektromagnetischer Strahlung aufweist.
Einrichtung nach Anspruch 46, bei welcher das optische Profilmeßgerät weiterhin eine erste Optik aufweist, die so angeordnet ist, dass sie einen ersten Anteil der elektromagnetischen Strahlung zur ersten Betrachtungsöffnung schickt, und einen zweiten Anteil der elektromagnetischen Strahlung zu der zweiten Betrachtungsöffnung.
Einrichtung nach Anspruch 47, bei welcher die erste Optik eine Strahlteileroptik ist, die so angeordnet ist, dass sie den ersten Anteil der elektromagnetischen Strahlung zur ersten Betrachtungsöffnung schickt, den zweiten Anteil der elektromagnetischen Strahlung zu der zweiten Betrachtungsöffnung schickt, und zumindest einen zusätzlichen Anteil der einfallenden, elektromagnetischen Strahlung durch die Strahlteileroptik durchläßt.
Einrichtung nach Anspruch 48, bei welcher das optische Profilmeßgerät weiterhin eine reflektierende Referenzoberfläche aufweist, die so angeordnet ist, dass sie den zumindest einen zusätzlichen Anteil der einfallenden elektromagnetischen Strahlung empfängt, die durch die Strahlteileroptik hindurchgegangen ist.
Einrichtung nach Anspruch 49, bei welcher das optische Profilmeßgerät weiterhin einen Wandler aufweist, der mit der reflektierenden Referenzoberfläche gekuppelt ist, um die Position der reflektierenden Referenzoberfläche abzutasten.
Einrichtung nach Anspruch 48, bei welcher das optische Profilmeßgerät weiterhin eine erste Betrachtungsöffnungsoptik aufweist, die durch eine erste bewegliche Stufe gehaltert wird, wobei die erste Betrachtungsöffnungsoptik so angeordnet ist, dass sie zumindest einen Teil des ersten Anteils der elektromagnetischen Strahlung zur ersten Oberfläche des Versuchsgegenstands schickt, und die erste bewegliche Stufe einstellbar ist, um die interferometrische Profilmessung der ersten Oberfläche des Versuchsgegenstands zu gestatten.
Einrichtung nach Anspruch 51, bei welcher das optische Profilmeßgerät weiterhin eine zweite Betrachtungsöffnungsoptik aufweist, die durch eine zweite bewegliche Stufe gehaltert wird, wobei die zweite Betrachtungsöffnungsoptik so angeordnet ist, dass sie zumindest einen Teil des zweiten Anteils der elektromagnetischen Strahlung zur zweiten Oberfläche des Versuchsgegenstands schickt, und die zweite bewegliche Stufe einstellbar ist, um die interferometrische Profilmessung der zweiten Oberfläche des Versuchsgegenstands zu gestatten.
Einrichtung nach Anspruch 51, bei welcher die erste reflektierende Optik ein Dachspiegel ist.
Einrichtung nach Anspruch 51, bei welcher das optische Profilmeßgerät weiterhin einen ersten gefalteten Spiegel aufweist, um den zumindest einen Teil des ersten Anteils der elektromagnetischen Strahlung zur ersten Oberfläche des Versuchsgegenstandes zu schicken.
Einrichtung nach Anspruch 52, welche weiterhin ein Verschiebungsmeßinterferometer aufweist, das so angeordnet ist, dass es Änderungen der räumlichen Beziehung zwischen der ersten und zweiten Bezugsoberfläche mißt, die durch zumindest entweder eine Einstellung bei der ersten beweglichen Stufe oder eine Einstellung bei der zweiten beweglichen Stufe hervorgerufen werden.
Einrichtung nach Anspruch 42, bei welcher das interferometrische Profilmeßsystem ein erstes interferometrisches optisches Profilmeßsystem aufweist, um die erste Oberfläche des Versuchsgegenstands zu betrachten, sowie ein zweites interferometrisches optisches Profilmeßsystem, um die zweite Oberfläche des Versuchsgegenstands zu betrachten.
Einrichtung nach Anspruch 56, bei welcher das erste optische Profilmeßgerät relativ zum zweiten optischen Profilmeßgerät beweglich ist, um die räumliche Beziehung zwischen der ersten und der zweiten Bezugsoberfläche einzustellen.
Einrichtung nach Anspruch 57, welche weiterhin ein Verschiebungsmeßinterferometer aufweist, das so angeordnet ist, dass es Änderungen der räumlichen Beziehung zwischen der ersten und zweiten Bezugsoberfläche mißt, die durch eine Relativbewegung des ersten und des zweiten optischen Profilmeßgeräts hervorgerufen werden.
Einrichtung nach Anspruch 42, bei welcher das interferometrische Profilmeßsystem eine bewegliche Stufe aufweist, die von einer ersten Position, welche die erste Bezugsoberfläche festlegt, zu einer zweiten Position einstellbar ist, welche die zweite Bezugsoberfläche festlegt.
Einrichtung nach Anspruch 42, welche weiterhin einen Meßgegenstand aufweist, der eine erste und eine zweite Oberfläche aufweist, wobei die erste Oberfläche so angeordnet ist, dass bei ihr eine Profilmessung durch das interferometrische Profilmeßsystem in Bezug auf die erste Bezugsoberfläche durchgeführt wird, und die zweite Oberfläche so angeordnet ist, dass bei ihr eine Profilmessung durch das interferometrische Profilmeßsystem in Bezug auf die zweite Bezugsoberfläche durchgeführt wird.
Einrichtung nach Anspruch 60, bei welcher der elektronische Prozessor die räumliche Beziehung zwischen der ersten und der zweiten Bezugsoberfläche auf der Grundlage interferometrischer Profilmessungen der ersten und zweiten Oberfläche des Meßgegenstands bestimmt, die von dem ersten und zweiten optischen Profilmeßgerät zur Verfügung gestellt werden.
Einrichtung nach Anspruch 60, bei welcher der Meßgegenstand zumindest eine kalibrierte Abmessung aufweist, und der elektronische Prozessor die räumliche Beziehung zwischen der ersten und der zweiten Bezugsoberfläche auf der Grundlage interferometrischer Profilmessungen der ersten und zweiten Oberfläche des Meßgegenstands bestimmt, die durch das erste und das zweite optische Profilmeßgerät zur Verfügung gestellt werden, und auf der Grundlage der zumindest einen kalibrierten Abmessung.
Einrichtung nach Anspruch 60, bei welcher der Meßgegenstand so angeordnet ist, dass er im Sehfeld des interferometrischen Profilmeßsystems während der interferometrischen Profilmessung des Versuchsgegenstands angeordnet ist.
Einrichtung nach Anspruch 42, welche weiterhin ein Verschiebungsmeßinterferometer aufweist, das so angeordnet ist, dass es die räumliche Beziehung zwischen der ersten und der zweiten Bezugsoberfläche mißt.
Einrichtung nach Anspruch 42, bei welcher der elektronische Prozessor zumindest einen Wert, der die PCOR-Dispersion in dem interferometrischen Profilmeßsystem und dem Versuchsgegenstand angibt, zur Berechnung der geometrischen Eigenschaft verwendet.
Einrichtung zur Bestimmung einer geometrischen Eigenschaft eines Versuchsgegenstands, wobei die Einrichtung aufweist: ein interferometrisches Profilmeßsystem, das im Betrieb eine interferometrische Profilmessung einer ersten Oberfläche des Versuchsgegenstands in Bezug auf eine erste Bezugsoberfläche durchführt, und eine interferometrische Profilmessung einer zweiten Oberfläche des Versuchsgegenstands in Bezug auf eine zweite Bezugsoberfläche durchführt, wobei das interferometrische Profilmeßsystem zumindest eine bewegliche Stufe zur Einstellung der Position der ersten Bezugsoberfläche und der zweiten Bezugsoberfläche aufweist; ein Verschiebungsmeßinterferometer, das so angeordnet ist, dass es eine Änderung einer Relativposition der ersten und zweiten Bezugsoberfläche mißt, hervorgerufen durch eine Einstellung der zumindest einen beweglichen Stufe; und einen elektronischen Prozessor, der mit dem interferometrischen Profilmeßsystem und dem Verschiebungsmeßinterferometer gekuppelt ist, wobei im Betrieb der elektronische Prozessor die geometrische Eigenschaft auf der Grundlage der Oberflächen, bei denen eine interferometrische Profilmessung durchgeführt wurde, und der Relativposition der ersten und der zweiten Bezugsoberflächen berechnet.
Einrichtung nach Anspruch 66, bei welcher das interferometrische Profilmeßsystem eine zweite bewegliche Stufe aufweist, und im Betrieb die erstgenannte bewegliche Stufe die Position der ersten Bezugsoberfläche einstellt, und die zweite bewegliche Stufe die Position der zweiten Bezugsoberfläche einstellt.
Einrichtung nach Anspruch 66, bei welcher die zumindest eine bewegliche Stufe eine erste bewegliche Stufe umfaßt, die von einer ersten Position, welche die erste Bezugsoberfläche festlegt, zu einer zweiten Position einstellbar ist, welche die zweite Bezugsoberfläche festlegt.
Einrichtung nach Anspruch 66, bei welcher das Verschiebungsmeßinterferometer mehrere Meßachsen zur Verfügung stellt.
Einrichtung nach Anspruch 66, bei welcher das interferometrische Profilmeßsystem ein Abtastinterferometerprofilmeßsystem ist, welches Infrarotwellenlängen verwendet.
Verfahren zur Bestimmung einer geometrischen Eigenschaft eines Versuchsgegenstands, wobei das Verfahren umfaßt: Profilmessung einer ersten Oberfläche des Versuchsgegenstands in einem ersten Koordinatensystem; Profilmessung einer zweiten Oberfläche des Versuchsgegenstands in einem zweiten Koordinatensystem, das von dem ersten Koordinatensystem verschieden ist; Bestimmung einer räumlichen Beziehung zwischen dem ersten und dem zweiten Koordinatensystem auf der Grundlage zumindest einer interferometrischen Entfernungsmessung; und Berechnung der geometrischen Eigenschaft auf der Grundlage der Oberflächen, bei denen eine Profilmessung durchgeführt wurde, und der Beziehung zwischen dem ersten und zweiten Koordinatensystem, wobei die erste und die zweite Oberfläche entgegengesetzten Außenflächen des Versuchsgegenstands entsprechen, benachbarten Außenflächen entsprechen, die durch eine Stufenhöhe getrennt sind, oder nominell nicht parallel sind.
Verfahren zur Bestimmung einer geometrischen Eigenschaft eines Versuchsgegenstands, wobei das Verfahren umfaßt: interferometrische Profilmessung einer ersten Oberfläche des Versuchsgegenstands in Bezug auf eine erste Bezugsoberfläche; interferometrische Profilmessung einer zweiten Oberfläche des Versuchsgegenstands in Bezug auf eine zweite Bezugsoberfläche, die von der ersten Bezugsoberfläche verschieden ist; Bestimmung einer räumlichen Beziehung zwischen den Oberflächen, bei denen eine interferometrische Profilmessung durchgeführt wurde, welche die PCOR-Dispersion berücksichtigt; und Berechnung der geometrischen Eigenschaft auf der Grundlage der Oberflächen, bei denen eine interferometrische Profilmessung durchgeführt wurde, und der räumlichen Beziehung.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Versuchsgegenstand teilweise transparent ist.
Verfahren nach Anspruch 73, bei welchem die geometrische Eigenschaft durch Positionen mehrerer Punkte auf einer vorderen Oberfläche des Versuchsgegenstands relativ zu Positionen mehrerer Punkte auf einer rückwärtigen Oberfläche des Versuchsgegenstands bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem mit der ersten und der zweiten Oberfläche des Versuchsgegenstands eine interferometrische Profilmessung von einer gemeinsamen Seite aus durchgeführt wird, und die erste und zweite Bezugsoberfläche voneinander um eine Entfernung beabstandet sind, die größer ist als ein Profilmeßbereich η eines Interferometersystems, das für die interferometrischen Profilmeßschritte verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 75, bei welchem das Interferometersystem, das für die interferometrischen Profilmeßschritte verwendet wird, einen Referenzgegenstand aufweist, der eine teilreflektierende erste Oberfläche und eine reflektierende zweite Oberfläche aufweist, wobei die erste Oberfläche die erste Bezugsoberfläche festlegt, und die zweite Oberfläche die zweite Bezugsoberfläche festlegt.
Verfahren nach Anspruch 76, bei welchem die Beziehung durch die räumliche Trennung zwischen der ersten und zweiten Oberfläche des Referenzgegenstandes festgelegt wird.
Optisches Profilmeßsystem, welches aufweist: eine Breitbandquelle; ein Abtastinterferometer, das im Betrieb eine erste Wellenfront entlang einem Referenzweg schickt, der eine teilreflektierende erste Oberfläche und eine reflektierende zweite Oberfläche aufweist, sowie eine zweite Wellenfront entlang einem Meßweg schickt, der einen Meßgegenstand berührt, sowie, nachdem die zweite Wellenfront den Meßgegenstand berührt, die Wellenfronten vereinigt, um ein optisches Interferenzmuster zu erzeugen; einen Detektor, der Interferenzdaten in Reaktion auf das optische Interferenzmuster erzeugt; einen elektronischen Prozessor, der mit dem Detektor gekuppelt ist, um die Interferenzdaten zu untersuchen; eine Abtaststeuerung, die mit dem Abtastinterferometer und dem elektronischen Prozessor gekuppelt ist, wobei im Betrieb die Abtaststeuerung das Abtastinterferometer dazu veranlaßt, die Position der ersten und der zweiten Oberfläche einzustellen, wobei die teilreflektierende erste Oberfläche des Abtastinterferometers eine erste Bezugsoberfläche festlegt, und die reflektierende zweite Oberfläche eine zweite Bezugsoberfläche festlegt, und im Betrieb der elektronische Prozessor eine geometrische Eigenschaft des Versuchsgegenstands auf der Grundlage der Interferenzdaten und einer Beziehung zwischen der ersten und der zweiten Bezugsoberfläche berechnet.