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Neues Ebenheitsreferenzsystem installiert

29.10.2010

In der PTB-Arbeitsgruppe 4.21 „Form- und Wellenfrontmetrologie“ wurden zwei neue optische Messeinrichtungen für die höchstgenaue Ebenheitsmessung installiert [1-3]. Mit den neuen Systemen können die mittlerweile stark gestiegenen Anforderungen der Industrie und Wissenschaft an die Ebenheitsmessung erfüllt werden: Es werden Messungen mit bislang unerreichten Genauigkeiten im sub-Nanometerbereich möglich sein, und es können Prüflinge mit einer Größe von bis zu 1 m sowohl liegend als auch stehend gemessen werden. Die neuen Messsysteme werden zum einen für Kundenkalibrierungen und im Rahmen von internationalen Vergleichsmessungen eingesetzt, zum anderen werden damit neue, weiter verbesserte Verfahren zur Ebenheitsmessung erforscht und entwickelt.

Da nicht alle Messoptionen in einem System sinnvoll realisiert werden konnten, wurden zwei getrennte Systeme (siehe Abb.1 und Abb.2) aufgebaut, die jeweils für die Messung an horizontal liegenden bzw. an senkrecht stehenden Prüflingen optimiert sind.

Abb.1. Deflektometrisches Messsystem 1 für liegende Prüflinge

 

Abb.2. Deflektometrisches Messsystem 2 für stehende Prüflinge

Die neuen Ebenheitsreferenzsysteme basieren auf deflektometrischen Messverfahren, wobei sowohl die Direkt- als auch die Differenz-Deflektometrie implementiert werden [2,4]. Bei der Direkt-Deflektometrie (siehe Abb.3a) wird der Prüfling mit einem Doppelspiegel oder Pentaprisma gescannt und gleichzeitig der Steigungswinkel mit einem hochgenauen Autokollimator gemessen. Die Integration der Steigungswinkel liefert die Topographie [5].

 

Abb.3. (a) Prinzipskizze der Direkt-Deflektometrie, (b) Prinzip der Differenz-Deflektometrie

Die Differenz-Deflektometrie (siehe Abb.3b) wertet dagegen die Differenzsteigungen zwischen verschiedenen Probenorten aus [6, 7]. Mit Hilfe der sogenannten „Shearing“-Mathematik [8] werden die Steigungswinkel aus den Differenzsteigungen exakt rekonstruiert und durch anschließende Integration wird die Topographie des Prüflings bestimmt. Vorteilhaft bei der Direkt-Deflektometrie ist, dass sie ein schnelles und einfach auszuwertendes Verfahren ist. Vorteilhaft bei der Differenz-Deflektometrie sind die konstanten optischen Weglängen an den Shear-Positionen und der geringe Einfluss einer (unerwünschten) Probenkippung von Differenzmessung zu Differenzmessung.

Für die Validierung und die Messunsicherheitsbetrachtung wurde von der PTB-Arbeitsgruppe 8.42 „Datenanalyse und Messunsicherheit“ zunächst das System I als virtuelle Maschine in eine bestehende Simulationsumgebung implementiert. Damit können alle relevanten Unsicherheitseinflüsse der Messeinrichtung (z. B. Führungsfehler der Achsen, Messfehler des Autokollimators, Fehler des Doppelspiegels) in realistischer Weise modelliert werden. Ergebnisse von virtuellen Experimenten an einem 800 mm großen Prüfling mit einer Topographie von 200 nm (pv) mit Ortsfrequenzen im Bereich von 1 µm bis 1 m zeigen, dass sowohl mit der Direkt- als auch mit der Differenz-Deflektometrie Unsicherheiten im sub-Nanometerbereich erreicht werden [4].

Nach der erfolgten Installation der beiden Ebenheits-Messsysteme steht nun die Validierung mit einer Abschätzung der Unsicherheit an, so dass in 2011 erste Kundenmessungen durchgeführt werden können.


 

Literatur:

[1]        G. Ehret, M. Schulz, M. Baier, A. Fitzenreiter, A new optical flatness reference measurement system, 110. DGaO, Brescia, Italy, www.dgao-proceedings.de/download/110/110_p22.pdf (2009)

[2]        G. Ehret, M. Schulz, M. Stavridis, C. Elster, A new flatness reference measurement system based on deflectometry and difference deflectometry, in Proc. Fringe: 6th International Workshop on Advanced Optical Metrology, 318-323 (2009)

[3]        M. Schulz, G. Ehret, M. Stavridis, C. Elster, Concept, design and capability analysis of the new Deflectometric Flatness Reference at PTB, Nucl. Instr. and Methods in Phys. Res. A616, 134-139 (2010)

[4]        G. Ehret, M. Schulz, M. Baier, A. Fitzenreiter, M. Stavridis, C. Elster: Vergleich von hochgenauen deflektometrischen Verfahren für die Ebenheitsmetrologie, 111. DGaO, Wetzlar, www.dgao-proceedings.de/download/111/111_ a20.pdf, (2010).

[5]        C. Elster, I. Weingärtner: High-accuracy reconstruction of a function f(x) when only d/dx f(x) or d2/dx2 is known at discrete measurement points, in Proc. of SPIE 4782:12-20, (2002).

[6]        I. Weingärtner, S. Loheide, M. Schulz: Verfahren zur Bestimmung der Topographie einer wenigstens nahezu planaren Oberfläche, Patent: DE19833269C1, (2000).

[7]        R. D. Geckeler, I. Weingärtner: Sub-nm Topography Measurement by Deflectometry: Flatness Standard and Wafer Nanotopography, in Proc. of SPIE 4779:1-12, (2002).

[8]        C. Elster, I. Weingärtner: Solution to the Shearing problem, Applied Optics 38 (23):5024-5031, (1999).