Wellenfront-Metrologie

Die optische Wellenfrontmetrologie ist ein großes Thema. In diesem technischen Vortrag werden wir uns auf zwei Themen konzentrieren, die sogar als Gegensätze betrachtet werden könnten: Phasenverschiebungsinterferometrie und Shack-Hartmann-Wellenfrontmetrologie.

Bei der Phasenverschiebungs-Inteferometrie kommt es auf Genauigkeit an, und jeder Nanometer ist von Bedeutung. Geschwindigkeit und Vielseitigkeit sind zweitrangig.

Das Gegenteil gilt für die Shack-Hartmann-Wellenfrontmessung, bei der Vielseitigkeit, Benutzerfreundlichkeit und Schnelligkeit ihre Hauptstärken sind, während die Genauigkeit, obwohl sie keineswegs schlecht ist, in den Hintergrund treten muss, insbesondere im Vergleich zur phasenverschiebenden Interferometrie. Bei der Interferometrie können wir auch Phaseneigenschaften des optischen Systems berücksichtigen, für die ein Shack-Hartmann-Sensor aufgrund seines Konstruktionsprinzips blind ist.

Beides kann jedoch ein gewaltiger Gegner sein, wenn es darum geht, Spitzenleistungen bei der Entwicklung und dem Bau komplexer optischer Maschinen zu erzielen, die eine optische Leistung weit jenseits der klassischen Beugungsgrenze erfordern, wie z. B. Mustergeneratoren, ein Thema, das uns bei Senslogic besonders am Herzen liegt. Dies ist auch der Grund, warum die WaveMe-Software entwickelt wurde, deren Schwerpunkt auf der Beschleunigung der Phasenverschiebungsinterferometrie und der Integration der Shack-Hartmann-Messtechnik in die alltäglichen Ausrichtungsaufgaben liegt.

Phasenverschiebende Interferometrie: Geschwindigkeit und Präzision nutzbar machen

In der Welt der Messungen im Nanomaßstab stellt die Phasenverschiebungsinterferometrie einen Wendepunkt dar, denn sie bietet eine unübertroffene Präzision, indem sie unsere Interpretation von Interferenzmustern verbessert. Hier ein genauerer Blick:

Wenn ein Photon in zwei Pfade aufgespalten und später rekombiniert und von einem Detektor absorbiert wird, kann der gegenseitige Pfadlängenunterschied in Form eines Interferenzmusters aufgezeichnet werden. Um diese Muster wirklich zu verstehen, bietet die Phasenverschiebungsinterferometrie, bei der die Weglängendifferenz zwischen diesen Photonen in mehreren aufeinanderfolgenden Messungen systematisch verändert wird, Antworten auf Fragen, die durch die Beobachtung eines einzelnen Interferenzmusters nicht beantwortet werden können, da in einem einzelnen Interferogramm der Interferenzterm durch den Kosinus der Phasendifferenz gebildet wird und der Kosinus das Vorzeichen seines Arguments verbirgt.

Diese Technik, für die mindestens drei Bilder mit 120° Phasenverschiebung zwischen ihnen erfordert, bietet eine direkte Lösung für die drei Unbekannten (zwei Amplituden und eine Phasendifferenz) in einer Zweistrahl-Interferenzanordnung. Der Sweetspot wird jedoch eindeutig mit 90°-Phasenverschiebungen gefunden. Warum 90°? Die Antwort darauf ist die Fehlerunterdrückung. Mit 90° eliminiert die Lösung ausdrücklich statisches Hintergrundlicht und die Empfindlichkeit des Detektors. Weniger offensichtlich ist, dass dadurch auch Nichtlinearitäten des Detektors zweiter Ordnung unterdrückt werden. Durch die Erweiterung der Methode auf vier 90°-Verschiebungen, die auch die scheinbar redundante 360°-Phasenverschiebung erfassen, kann der Einfluss der Aktuatorskala stark reduziert werden. All dies trägt dazu bei, dass dieser spezielle Ansatz die Methode der Wahl für hochgenaue Interferometrie ist.

Bevor wir diese Einführung verlassen, muss erwähnt werden, dass die Phasenverschiebungsinterferometrie keine Methode zur Streifenanalyse ist. Nirgendwo in der Mathematik wird der Versuch unternommen, einen Streifen zu identifizieren und zu verfolgen. Es handelt sich ausschließlich um eine lokale, Detektorpixel für Detektorpixel durchgeführte Phasenanalyse. Wenn es irgendwo regelmäßige Streifen gibt, dann wird die Mathematik sie, sagen wir, rein zufällig aufdecken. Wenn wir wollen, können wir ein Twyman-Green-Interferometer aufstellen (das übrigens von A.A. Michelson als nutzlos bezeichnet wurde und oft mit einem Interferometer verwechselt wird). Michelson als nutzlos bezeichnet wurde und oft mit dem nach ihm benannten Interferometer verwechselt wird) und es so ausrichten, dass es keine Streifen anzeigt, und die Wellenfrontphase mit der gleichen Genauigkeit analysieren, wie wir es mit jeder anderen Anzahl von Streifen tun würden, und wahrscheinlich sogar noch besser, denn bei null Streifen können wir die kombinierten Strahlen durch dasselbe Glas laufen lassen, bevor sie den Detektor erreichen, und so die Phasenfehlerbeiträge der Projektionsoptik eliminieren, die in einem Twyman-Green-Interferometer oft erforderlich sind.

Das Bedürfnis nach Geschwindigkeit

Wie in der Einleitung erwähnt, bietet die Phasenverschiebung von Haus aus eine hohe Genauigkeit, aber für die Geschwindigkeit muss man arbeiten. Wenn es sich bei dem Zielsystem um ein einzelnes Stück Optik oder einen einzelnen Spiegel handelt, ist die Wartezeit von einer Sekunde, um eine Wellenfront zu erhalten, natürlich kein Problem, aber wie sieht es mit der Messung von 10 Millionen Spiegeln aus? Und woher sollen wir so viele Spiegel nehmen?

Vielleicht ist hier ein ganz kurzer Blick auf die Mustergeneratoren angebracht. Die Auflösungsgrenze für kohärente Beleuchtungen mit räumlichen Lichtmodulatoren, die nur auf die positive reelle Achse zugreifen können, wird durch die Bildung von 3-Strahl-Bildern gesetzt, was wir einfach nicht vermeiden können, weil wir mit einem solchen Modulator nicht die 0. Ordnung mit einem solchen Modulator nicht entfernen können. Dadurch wird der Winkelabstand zwischen den interferierenden Strahlen auf einen durch die numerische Apertur der Optik begrenzten Winkel festgelegt. Wenn wir jedoch die 0. Ordnung auslöschen könnten, dann könnten wir Bilder erzeugen, indem wir die Strahlen bei +NA und -NA interferieren lassen, was zusammengenommen 2xNA und damit die doppelte Auflösung bedeuten würde, aber das ist etwas, was wir nur mit einem Modulator machen können, der (mindestens) 180° Phasenverschiebung bieten kann, und im Falle eines analogen Modulators können wir alle Phasenverschiebungen dazwischen gut nutzen. Ein solcher Phasenmodulator wird im nächsten Abschnitt beschrieben, und wenn wir ihn für die fortgeschrittene Lithografie verwenden wollen, müssen wir die elektro-optischen Eigenschaften dieses Modulators genau kalibrieren, und zwar schnell.

Im Rahmen des RealHolo-Projekts wird ein ehrgeiziges 9,6-Millionen-Mikrospiegel-Kolbenarray entwickelt, dessen Bus-Bandbreite ausreichend hoch ist, um es zu einer sehr interessanten Komponente für eine hochleistungsfähige Mustererzeugungsmaschine für die fortgeschrittene Lithografie zu machen. Aber es wäre weder fortschrittlich noch Lithographie, wenn wir sie nicht mit der Genauigkeit unterstützen könnten, die der Eckpfeiler jeder opto-lithographischen Schreibmaschine ist, zumindest nicht heute. Und da wir es mit reinen Phasenmessungen zu tun haben, brauchen wir Interferometrie sowohl mit hoher Auflösung als auch mit hoher Geschwindigkeit.

Hochauflösende MEMS sind jedoch nicht die einzige Anwendung für ein schnelles Phasenverschiebungsinterferometer. Die Charakterisierung eines verformbaren Spiegels mit einem Twyman-Green-Interferometer ist eine weitere überzeugende Anwendung, bei der die Interferometrie Ergebnisse liefert, an die die Shack-Hartmann-Messtechnik einfach nicht heranreicht.

Mit Standardwerkzeugen die Grenzen überschreiten

Man könnte annehmen, dass eine solche Präzision hochspezialisierte Geräte erfordert. Das ist jedoch nicht der Fall. Mit der richtigen Softwareunterstützung können sogar Standardkameras für diese komplizierte Aufgabe eingesetzt werden und sowohl die bemerkenswerte Präzision als auch die Messgeschwindigkeit erreichen.

Die phasenverschiebende Interferometrie bietet eine bahnbrechende Genauigkeit und liefert 10 oder mehr Wellenfronten pro Sekunde, was die Art und Weise, wie wir Interferenzmuster betrachten, revolutioniert. Praktische Anwendungen wie das RealHolo-Projekt unterstreichen die Bedeutung dieser Methode und machen deutlich, dass diese Technik die Zukunft der Messungen im Nanobereich und darüber hinaus prägt.

Phasenverschiebung mit Hilfe der Fringe-Analyse

Um die Phasenverschiebung auf der Grundlage eines physikalischen Phasenwechselaktors aus einem anderen Blickwinkel zu betrachten, sehen wir uns einen alternativen Ansatz an, bei dem wir die Phaseninformation aus einem einzigen Bild gewinnen. Dazu müssen wir unsere Messung mit einem Referenzstrahl durchführen, der unter einem ausreichend großen Winkel interferiert. Was "ausreichend" bedeutet, hängt davon ab, was wir gerade messen, aber im Allgemeinen muss er höher sein als die höchste Ortsfrequenz unseres Objekts. Wenn wir versuchen würden, die Phaseninformation mit einer Fourier-Methode zu extrahieren, müsste die Streifenfrequenz doppelt so hoch sein wie die höchste Ortsfrequenz unseres Objekts. Es gibt jedoch Fälle, in denen wir mit weniger auskommen, z. B. wenn wir eine stückweise flache Oberfläche messen, wie bei einem TI-PLM-Raumlichtmodulator oder dem PLV von Silicon Light Machines. In diesem Fall können wir die Kamera so anordnen, dass die Streifen verschiedene Positionen der (annähernd) flachen Mikrospiegel abtasten. Ohne zu sehr ins Detail zu gehen, sollte es ziemlich offensichtlich sein, dass die Streifenperiode kleiner als die Größe des Mikrospiegels sein muss, um die Intensität bei den verschiedenen Phasenverschiebungen, die durch den geneigten Referenzstrahl entstehen, abzutasten.

Im Allgemeinen muss bei der Phasenextraktion aus einem Streifenbild die Streifenfrequenz viel höher sein als die höchste Ortsfrequenz des Objekts, wenn wir einigermaßen genaue Ergebnisse erzielen wollen. Wenn wir versuchen, die Streifendichte zu erhöhen, um die Genauigkeit zu steigern, muss die Pixeldichte der Kamera folgen, da wir das Streifenbild ganz erheblich überabtasten müssen, und wenn wir nicht über ein sehr spezielles Flächenabtastgerät verfügen, steigt die Pixelzahl der Kamera mit dem Quadrat der Streifendichte. Dadurch wird die Messung entweder auf kleine Objekte beschränkt oder langsam, selbst wenn man bedenkt, dass wir 4 oder 5 Bilder mit herkömmlicher Phasenverschiebung extrahieren müssen, vorausgesetzt, dass unsere Phasenverschiebungsmethode an einer Grenze arbeitet, die durch die Schnittstellengeschwindigkeit (USB oder Ethernet) der Kamera festgelegt ist, was für die WaveMe Toolbox zutrifft. Außerdem entfällt die Fehlerunterdrückung, die durch die Abtastung der vier oder fünf verschiedenen Phasenverschiebungen unter Verwendung desselben Pixels erreicht wird, wodurch Fehlerquellen wie Beleuchtungsgleichmäßigkeit und Ungleichmäßigkeit der Pixelreaktion (PRNU) aufgehoben werden.

Shack-Hartmann-Sensoren: Ein Arbeitspferd der Wellenfrontmetrologie

Stellen Sie sich vor, Sie müssten versuchen, die Richtung und Intensität von Tausenden von winzigen Pfeilen zu verstehen, die gleichzeitig in verschiedene Richtungen zeigen. Shack-Hartmann-Sensoren arbeiten ähnlich und entschlüsseln die "Richtung und Intensität" von Wellenfronten an bestimmten isolierten Punkten. Indem sie diese winzigen Details oder "Gradienten" der Wellenfront erfassen, bieten diese Sensoren einen nuancierten Einblick in die dynamische Wellenfront.

Was ist so besonders an Shack-Hartmann-Sensoren?

Einfachheit und Schnelligkeit: Shack-Hartmann-Sensoren sind zwar nicht die Könige der Präzision, aber sie sind unbestreitbar schnell und benutzerfreundlich. Haben Sie eine Kamera, die 300 Bilder pro Sekunde aufnimmt? Diese Sensoren können mit diesem Tempo mithalten, manchmal sogar mit einem normalen Laptop.

Und die Genauigkeit ist auch nicht zu verachten. Für 10-15 nm ist eine Kalibrierung auf eine bekannte Referenz erforderlich, die jedoch mit dem Licht einer Singlemode-Faser oder einer kantenemittierenden Laserdiode vorgenommen werden kann.

Die technischen Details

Hinter den Kulissen erfordert der Einsatz von Shack-Hartmann-Sensoren einen erheblichen Programmieraufwand. Die Zerlegung unzähliger Punkte auf einem Bild ist eine Herausforderung, insbesondere wenn es um Echtzeit-Wellenfronten geht (man denke an Live-Ansichten mit 60 Bildern pro Sekunde). Und auch wenn es nicht ganz so kompliziert ist wie Raketenwissenschaft - oder, in Elon Musks Worten, Raketenbau - so erfordert es doch einige Aufmerksamkeit für Details.

Die WaveMe-Plattform von Senslogic: Einen Schritt voraus

Hier bei Senslogic beobachten wir nicht nur, sondern wir sind innovativ. Lernen Sie WaveMe kennen, unsere bahnbrechende Plattform. WaveMe ist nicht an eine einzige Technik gebunden. Stattdessen bietet es das Beste aus beiden Welten: die Genauigkeit der Phasenverschiebungsinterferometrie und die Schnellfeuerfähigkeit der Shack-Hartmann-Wellenfrontmetrologie. Von nanometergenauer Präzision bis hin zur schnellen Bild-für-Bild-Analyse ist WaveMe ein zuverlässiger Begleiter, der mit herkömmlichen Bildverarbeitungskameras kompatibel ist. Wir bieten eine der, wenn nicht sogar die schnellste, phasenverschiebende Interferometrieplattform und die einfachste Shack-Hartmann-Wellenfrontmesslösung. Wie können wir das sagen? Nun, können Sie weniger verlangen als das Einschalten des Programms? Die 3D-Shack-Hartmann-Sensorkalibrierung von WaveMe macht es möglich.

Sind Sie neugierig geworden? Bleiben Sie auf dem Laufenden über die bahnbrechenden Projekte von Senslogic. Gehen Sie auf unsere Kontaktseite und abonnieren Sie die neuesten Updates und Ankündigungen. Senslogic wird die Shack-Hartmann-Software zusammen mit einer Kamera anbieten und wir sind immer offen für OEM-Kunden, um die Phasenverschiebungs- und Shack-Hartmann-Software an ihre spezifischen Bedürfnisse anzupassen.