Absolute surface topography measurement with polarisation sensitive coherence scanning interferometry

Traditionally, surface topography measurement was in the domain of quality control of engineering parts. With the advancement of manufacturing technology and affordable computational costs, different types of surfaces are produced with varied shapes and surface textures. These pose significant measurement problems, therefore, surface topography research is gaining momentum to achieve a better control of the surface. Coherence scanning interferometry (CSI) is one of the most common techniques used for measurement of surface topography. It is preferred over tactile and other non-contact techniques since it provides fast and accurate measurement with high vertical (~ 1 nm) and lateral (~1 μm) resolutions over larger areas without any damage to the surface. Essentially, CSI is treated as one dimensional (1D) superposition of the light waves from an object and a reference that generates a three dimensional (3D) interferogram. Secondly, despite the advantages, there is no standard configuration of CSI that can provide absolute surface topography measurement of an engineering part with multiple materials. An effective solution to this problem will be particularly useful in the field of semiconductor and bio-related industries where chips and instruments are made of many materials. In this Thesis, first, the CSI technique is analysed in terms of a wider theoretical framework of 3D linear filtering technique which shows the similarities among other seemingly disparate techniques such as confocal and optical coherence tomography. Due consideration to the spectral characteristic of the source and the effect of numerical aperture are given and important parameters such as vertical and lateral resolutions are computed to compare this theory with standard analysis methods. Additionally, it is shown that the 3D fringe pattern can be considered to be a superposition of a reference field and the scattered field from the top foil-like layer on the top the object. The scattered field from this foil object is dependent on the normal Fresnel reflection coefficients. Therefore, it explains the phase offset and the proportional height offset introduced by different materials, especially, metals. In an object, where multiple materials are present, each material introduces different phase to the fringe pattern and therefore, the surface topography of the entire object is altered. To overcome this problem, the optical polarising properties of the material are exploited. A novel configuration of polarisation sensitive CSI is presented where interferograms with orthogonal circular polarisations are recorded and analysed. The configuration, initially, needs to be calibrated with a material and after that at each point on the object, the refractive index and height offset can be calculated. Therefore, it can be dually used to identify unknown materials present on the object and also to compensate for the height offset introduced by each material to produce absolute surface topography of the entire object. The configuration provides good agreement with ellipsometric results for metals. Additionally, it retains the advantages of high vertical and lateral resolution same as other standard coherence scanning interferometers

Modern optical astronomy: technology and impact of interferometry

The present `state of the art' and the path to future progress in high spatial resolution imaging interferometry is reviewed. The review begins with a treatment of the fundamentals of stellar optical interferometry, the origin, properties, optical effects of turbulence in the Earth's atmosphere, the passive methods that are applied on a single telescope to overcome atmospheric image degradation such as speckle interferometry, and various other techniques. These topics include differential speckle interferometry, speckle spectroscopy and polarimetry, phase diversity, wavefront shearing interferometry, phase-closure methods, dark speckle imaging, as well as the limitations imposed by the detectors on the performance of speckle imaging. A brief account is given of the technological innovation of adaptive-optics (AO) to compensate such atmospheric effects on the image in real time. A major advancement involves the transition from single-aperture to the dilute-aperture interferometry using multiple telescopes. Therefore, the review deals with recent developments involving ground-based, and space-based optical arrays. Emphasis is placed on the problems specific to delay-lines, beam recombination, polarization, dispersion, fringe-tracking, bootstrapping, coherencing and cophasing, and recovery of the visibility functions. The role of AO in enhancing visibilities is also discussed. The applications of interferometry, such as imaging, astrometry, and nulling are described. The mathematical intricacies of the various `post-detection' image-processing techniques are examined critically. The review concludes with a discussion of the astrophysical importance and the perspectives of interferometry.Comment: 65 pages LaTeX file including 23 figures. Reviews of Modern Physics, 2002, to appear in April issu

Interferometry for Online/In-Process Surface Inspection

Interferometers are normally operated in environment-controlled optical laboratories because vibrations will induce errors in measurement results. In order to extend the application of interferometry to shop floor inspection, two methods are adapted: one method is to introduce a reference interferometer and vibration compensation system to the main interferometer, to compensate for the environmental disturbance; and the other method is to realize the data sample in just one image shot. Each method has its own applications. With the advances of these technologies, the use of interferometry as a highly accurate and fast measurement method will become more common in shop floor measurements and inspections

The spatial coherence of thermal light sources

Imperial Users onl

Development of a wafer geometry measuring system : a double sided stitching interferometer

The drive for miniaturization of electrical devices and the increased production size of chips has forced lithographic production techniques to improve continuously. With this the requirements for silicon wafers, which form the basis of chips, have increased continuously as well. To ??nd a cost e??ective solution for the characterization of large diameter double side polished silicon wafers, the development of a measurement machine has been started. The measurement machine should measure the free form ??atness and thickness variations of wafers with a diameter of up to, and possibly beyond, 300 mm. The proposed measurement concept should have the potential to achieve a high throughput and a low measurement uncertainty, while reducing the cost of ownership signi??cantly compared to currently available systems on the market. The designed measurement setup which is described in this thesis is intended to demonstrate the potential of a chosen measurement concept for measuring double side polished silicon wafers. In the innovative measurement concept a double sided stitching Fizeau type interferometer has been adopted. A surface interferometer o??ers the required high accuracy and the scanning principle of a small aperture stitching interferometer allows the use of relatively small and low cost optical components which can measure with a high spatial resolution. The self referencing capability of a double sided Fizeau interferometer is important for achieving high accuracy when measuring thickness variations. In the proposed measurement concept the aperture of a single interferometer is split to measure the frontside and backside ??atness of a wafer simultaneously. The thickness variations can be derived from the measured ??atness measurements. A prototype measurement setup has been designed, built and tested. All major mechanical and optical error sources have been eliminated by using advanced calibration techniques. By using proper measurement principles and advanced software a robust and traceable wafer thickness and ??atness measurement instrument is created for measuring nominally ??at objects. The developed calibration techniques enable low uncertainty measurements to be taken while using relatively low quality optical and mechanical components. Several measurement method have been applied to derive accurate geometrical parameters from the recorded interferograms. Besides the processing of interferograms and development of calibration techniques a surface stitching software package has been developed which combines many subaperture ??atness maps into a large scale ??atness map of the entire wafer

Electro-optic frequency combs and their applications in high-precision metrology and high-speed communications

Optische Frequenzkämme haben sich in den letzten Jahren zu einem vielseitigen Werkzeug im Bereich der Optik und Photonik entwickelt. Sie ermöglichen den Zugang zu einer Vielzahl von schmalbandigen Spektrallinien, die einen breiten Spektralbereich abdecken und gleichzeitig hochgenau definierte Frequenzen aufweisen. Dadurch wurden Experimente in vielfältigen Anwendungsgebieten ermöglicht, zum Beispiel in den Bereichen optischer Atomuhren, der Präzisionsspektroskopie, der Frequenzmesstechnik, der Distanzmesstechnik und der optischen Telekommunikation. Allerdings umfassen übliche Frequenzkammquellen und die jeweiligen Laboraufbauten typischerweise komplexe opto-elektronische und opto-mechanische Anordnungen, welche aufgrund von Baugröße und fehlender Robustheit gegenüber Umwelteinflüssen wie Temperatur bislang kaum Einzug in breitere industrielle Anwendungen gefunden haben. Diese Arbeit legt deshalb ein besonderes Augenmerk auf die praktische Nutzbarkeit von frequenzkamm-basierten Systemen in industriellen Anwendungen. Im Fokus stehen dabei Robustheit, Kompaktheit und flexible Anpassungsmöglichkeiten an die jeweilige Anwendung. Das bezieht sich sowohl auf die Frequenzkammquellen selbst, als auch auf die zugehörigen anwendungsspezifischen optischen Systeme, in welchen die Frequenzkämme genutzt werden. In der vorliegenden Arbeit wird das Potential elektro-optischer Frequenzkämme in der optischen Messtechnik sowie der optischen Kommunikationstechnik anhand ausgewählter experimenteller Demonstrationen untersucht. Als Mittel zur Realisierung miniaturisierter optischer Systeme mit einem Flächenbedarf von wenigen Quadratmillimetern wird die photonische Integration in Silizium verfolgt. Ein integriertes System zur Frequenzkamm-basierten Distanzmessung sowie integriert-optische Frequenzkammquellen werden demonstriert. Die Erzeugung von Frequenzkämmen durch Dauerstrichlaser in Kombination mit elektro-optischen Modulatoren ist dabei ein besonders vielversprechender Ansatz. Zwar werden dabei üblicherweise kleinere optische Bandbreiten erzielt als bei der weitverbreiteten Frequenzkammerzeugung durch modengekoppelte Ultrakurzpulslaser oder durch Kerr-Nichtlinearitäten, aber es bieten sich andere wertvolle Vorteile an. So erlaubt die elektro-optische Kammerzeugung beispielsweise eine nahezu freie Wahl der Mittenfrequenz durch Auswahl oder Einstellung des Dauerstrichlasers. Durch den Einsatz verschiedener Laser können sogar gleichzeitig mehrere Frequenzkämme unterschiedlicher Mittenfrequenz erzeugt werden, was sich in verschiedenen Anwendungen vorteilhaft ausnutzen lässt. Dies wird in dieser Arbeit anhand zweier Beispiele aus der optischen Messtechnik demonstriert, siehe Kapitel 3 und Kapitel 5. Der Kammlinienabstand ist bei elektro-optisch erzeugten Kämmen definiert durch die elektronisch erzeugte Modulationsfrequenz. Das bietet mehrere Vorteile: Der Linienabstand ist frei einstellbar, sehr stabil, und einfach rückführbar auf einen Frequenzstandard. Der Verzicht auf einen optischen Resonator macht die Kammquelle robust gegenüber Umwelteinflüssen wie z.B. Vibration. Zudem machen Fortschritte bei der Entwicklung von hochintegrierten optischen Modulatoren auf Silizium eine Umsetzung der Frequenzkammquellen in Siliziumphotonik möglich. Die erste derartige Komponente und deren Anwendung in der optischen Telekommunikation wird in Kapitel 6 vorgestellt. Photonische Integration in Silizium bietet außerdem das Potential, miniaturisierte optische Systeme mit vielfältiger Funktionalität zu realisieren. Solche Systeme zeichnen sich durch extrem kleinen Platzbedarf, Kompatibilität mit hochentwickelten und massentauglichen Fertigungstechniken aus der CMOS-(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)-Mikroelektronik und durch die Möglichkeit zur Kointegration elektronischer Schaltungen auf demselben Chip aus. Die hohe Integrationsdichte eröffnet die Perspektive, optische Systeme z.B. für Sensorik tief in industriellen Maschinen zu integrieren. Kapitel 1 gibt eine kurze Einführung in optische Frequenzkämme und deren vielfältige Anwendungen in Wissenschaft und Technik. Der Stand der Technik zu unterschiedlichen Ansätzen zur Frequenzkammerzeugung und deren jeweiligen Eigenschaften werden diskutiert, und es werden die Vorzüge der in dieser Arbeit verwendeten elektro-optischen Frequenzkämme erläutert. Des Weiteren wird die Integration photonischer Systeme und Bauelemente auf Silizium vorgestellt. Schließlich werden die sich ergebenden Vorteile bei der Anwendung in optischer Messtechnik und optischer Telekommunikation diskutiert. Kapitel 2 fasst die physikalischen Grundlagen der Arbeit zusammen. Die Funktionsprinzipien elektro-optischer Modulatoren werden beschrieben sowie deren Anwendung zur Erzeugung von Frequenzkämmen. Zusätzlich wird das Konzept sogenannter synthetischer Wellenlängen eingeführt, welches in der optischen Distanzmesstechnik Anwendung findet. Kapitel 3 beschreibt ein Prinzip zur Distanzmessung mittels zweier elektro-optischer Frequenzkämme zur kontaktlosen Vermessung technischer Objekte. Die Leistungsfähigkeit des Ansatzes wird durch eine Erfassung von ausgedehnten Oberflächenprofilen in Form von Punktwolken demonstriert, wobei eine verhältnismäßig kurze Messzeit von 9.1 µs pro Punkt ausreichend ist. Dabei wird der faseroptisch angebundene Sensorkopf von einer Koordinatenmessmaschine über die Oberfläche bewegt. Durch Temperaturschwankungen im faser-optischen Aufbau ausgelöste Messabweichungen werden durch die Messung mit Lasern unterschiedlicher Emissionsfrequenz kompensiert. Kapitel 4 beschreibt ein integriert-optisches System auf Silizium zur frequenzkamm-basierten Distanzmessung. Das System beinhaltet das zum Heterodynempfang genutzte Interferometer inklusive eines einstellbaren Leistungsteilers sowie der Photodetektoren. Der Platzbedarf aller Komponenten auf dem Siliziumchip beträgt 0.25 mm$^{2}$. Der Chip wird in dem in Kapitel 3 eingeführten Messverfahren eingesetzt, wobei Distanzmessungen mit Root-mean-square-Fehlern von 3.2 µm und 14 µs Erfassungszeit demonstriert werden. Kapitel 5 stellt ein Distanzmesssystem vor, bei welchem eine grobauflösende Phasenlaufzeitmessung mit großem Eindeutigkeitsbereich mit einer interferometrischen Distanzmessung mit synthetischen Wellenlängen zur Verfeinerung der Messgenauigkeit kombiniert wird. Die durch vier Laser erzeugten synthetischen Wellenlängen bzw. die Frequenzabstände der Laser werden zeitgleich zur Distanzmessung mittels eines auf elektro-optischer Modulation basierenden Verfahrens vermessen. Durch diese Referenzierung wird der Einsatz freilaufender Laser ohne Wellenlängenstabilisierung ermöglicht. Es werden Messraten von 300 Hz und Genauigkeiten im Mikrometerbereich erreicht. Kapitel 6 beschreibt die weltweit erste Demonstration elektro-optischer Frequenzkammquellen auf Silizium und die hierzu genutzte hybride Materialplattform aus Silizium und organischen Materialien (Silicon-Organic Hybrid, SOH). Spektral flache Frequenzkämme mit 7 Linien innerhalb von 2 dB und Linienabständen von 25 GHz und 40 GHz werden erzeugt. Die praktische Anwendbarkeit solcher Frequenzkämme wird durch eine Reihe von Datenübertragungexperimenten demonstriert. Die einzelnen Kammlinien dienen als Träger für Daten in einem Wellenlängenmultiplex-System, womit eine spektral effiziente Datenübertragung mit Datenraten von über 1 Tbit/s über Distanzen von bis zu 300 km demonstriert wird. Kapitel 7 fasst die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zusammen und gibt einen Ausblick auf die Möglichkeiten, die sich durch weiterentwickelte Kammquellen und fortschreitende Möglichkeiten in der photonischen Integration ergeben