Logo der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt
Fertigungskette von Si-Kugeln und interferometrische Bestimmung des Kugelvolumens

Eine neuartige Maßverkörperung für die Charakterisierung der zweidimensionalen Instrumenten-übertragungsfunktion (2D-ITF) von flächenhaft messenden Oberflächentopographie-Messgeräten

 

 

Ein neuartiger Typ von Maßverkörperung zur Charakterisierung zweidimensionaler (2D) Instrumenten-transferfunktionen (ITF) von optischen flächenhaft messenden Topographiemessgeräten wurde entwickelt. Die mit dem metrologischen Rasterkraftmikroskop der PTB kalibrierte Maßverkörperung wurde bereits sowohl in der Forschung als auch in der Industrie erfolgreich angewendet. Dabei zeigten sich die Vorteile ihrer Applikation wie z. B. die hervorragende Flexibilität, ihre Benutzerfreundlichkeit sowie die hohe Wiederholbarkeit und Robustheit der mit ihr durchgeführten Messungen.

Die Messgenauigkeit ist ein herausforderndes Thema für verschiedenartige optische flächenhaft messende Oberflächentopographie-Messgeräte wie Phasenschiebeinterferenz-Mikroskope, konfokale, Weißlichtinterferenz (WLI)- und Fokusvariationsmikroskope. Um diese Herausforderung zu meistern gibt es drei Hauptthemen, die bei den Messungen zu berücksichtigen sind: der Einfluss der Skalenfaktoren, die Wechselwirkung des Lichtes mit der Oberfläche des Messobjektes und die Bandbreiten-Charakteristiken. Hierbei ist die Untersuchung der Brandbreiten-Charakteristiken eine sehr schwierige Aufgabenstellung. Betrachtet man die Oberflächentopographie als eine Komposition aus Komponenten mit unterschiedlichen Raumfrequenzen, so kann sie nur dann korrekt gemessen werden, wenn das Messgerät exakt auf diese Raumfrequenzen antwortet. Die Instrumentenüber-tragungsfunktion (ITF) dient hierbei für die Beschreibung der Bandbreiten-Charakteristiken von optischen flächenhaft messenden Oberflächentopographie-Messgeräten.

Die PTB hat kürzlich eine neue Maßverkörperung für die Charakterisierung der 2D-ITF von derartigen flächenhaft messenden Oberflächentopographie-Messgeräten entwickelt. Hierbei fanden mehrere innovative Ideen im Design der Maßverkörperung ihre Realisierung. So ist zum Beispiel das Normal mit kreisförmigen Strukturmerkmalen ausgestattet. Derartige rotationssymmetrische Merkmale sind vorteilhaft für die Charakterisierung der ITF in unterschiedlichen Winkelausrichtungen und damit für die winkelabhängige Anisotropie des Messgerätes. Drei verschiedene Typen von Strukturmerkmalen sind in das Design integriert worden: Kreisförmige Stufen (CS), kreisförmige Chirp-Merkmale (CC) und kreisförmige diskrete Gitter (CDG). Sie sind dafür entworfen worden, um ergänzend drei Arten von räumlichen Signalen zur Charakterisierung der ITF darzustellen. Zusätzlich beinhaltet die Maßverkör-perung 25 kreisförmige Muster mit Radien von 30 bis 300 µm sowie Wellenlängen von 0,1 bis 150 µm. Diese Muster können kombiniert angewendet werden, um den vielfältigen Messanforderungen verschiedenartiger Messinstrumente zu entsprechen, welche sehr unterschiedliche Bandbreiten-Charakteristiken, Betrachtungsfelder (FOV) u.a. aufweisen können. Dieses Design ermöglicht einen hohen Grad an Flexibilität bei seiner Anwendung. Die Maßverkörperung wird in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe 2.44 unter Nutzung der in der PTB verfügbaren Elektronenstrahl-Schreibe-Lithographie-Systeme gefertigt.

Als ein Beispiel für die Charakterisierung der ITF ist im Bild 1 das Ergebnis für ein Phasenschiebe-Interferenzmikroskop vom Typ „PLu SneoX“ (mit einem 50-fachen Objektiv und einer Lichtquelle mit der Wellenlänge von l = 530 nm) dargestellt. Ein gemessenes Bild für ein CC-Muster ist im Bild 1(a) als Rohdaten nach einem Levelling 1. Ordnung dargestellt, zwei radiale Profile an den gekennzeich-neten Positionen sind in Bild 1(b) gezeigt. Wie aus dem Bild erkennbar ist, verringert sich die Amplitude der gemessenen Merkmale mit steigender Raumfrequenz. Da die Kalibrierungen der Strukturhöhen mit dem metrologischen AFM mit erweitertem Messbereich gezeigt haben, dass die Höhen weitestgehend einheitlich über den gesamten Raumfrequenzbereich sind, zeigt dieses Phänomen den Einfluss der Bandbreiten-Charakteristiken des verwendeten optischen Mikroskops.

Bild 1(c) stellt die untersuchte ITF des SneoX-Mikroskops dar, die auf der Grundlage von drei CC-Mustern „C31“, „C32“ und „C33“ sowie anhand von fünf CDG-Mustern „Z1“ bis „Z5“ gewonnen wurde. Es ist erkennbar, dass die gefiitteten ITF-Kurven für beide Mustertypen eine exzellente Übereinstimmung zeigen. Durchgeführte Untersuchungen zur Kurzzeit-Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit haben gezeigt, dass diese Messmethode durch eine exzellente Wiederholbarkeit und Robustheit gekennzeichnet ist. Die Standardabweichung der aus der Ausgleichsrechnung ermittelten Parameter erreicht eine Größenordnung von 1 bis 5 %.

Bild 1: Optisches Bild eines Circular-Chirp-Musters auf der neu entwickelten Maßverkörperung gemessen mit einem Phasenschiebe-Interferenzmikroskops vom Typ „PLu SneoX“ mit einem 50-fach-Objektiv (NA = 0,55) und einer Lichtquelle mit der Wellenlänge von l = 530 nm (a); zwei radiale Profile des gemessenen Musters an den gekennzeichneten Positionen (b); die ITF-Kurve des Messgerätes bestimmt auf der Basis von 8 kreisförmigen Mustern (drei CC-Muster (C31 bis C33) und fünf CDG-Muster (Z1 bis Z5)) (c)

Schlussfolgernd können wir feststellen, dass die entwickelte Maßverkörperung die folgenden Vorteile aufweist:

(i) Ermöglicht die Bestimmung der 2D-ITF: Sie ermöglicht die Charakterisierung der winkelabhängigen Bandbreiten-Charakteristiken von flächenhaft messenden Ober-flächentopographie-Messgeräten 

(ii) Moderate Kosten der Fertigung: Das Design der Maßverkörperung ist für eine Serienfertigung geeignet (z.B. durch die Nutzung moderner Lithographie-Techniken)

(iii) Exzellente Flexibilität der Anwendung: Die entwickelte Maßverkörperung ist für die Charakterisierung von unterschiedlichen Messgeräten mit verschiedenen Bandbreiten-Charakteristiken und Betrachtungsfeldern (FOV) geeignet

(iv) Einfache Anwendung: Es wird ein Gesamtpaket bestehend aus Maßverkörperung, der Kalibriermethode und der Datenanalysesoftware angeboten, um die 2D-ITF des Messwerkzeugs bequem zu charakterisieren. Die Kalibrierung der 2D-ITF eines optischen Messgerätes kann innerhalb einer Stunde durchgeführt werden, wie die Applikationstests in der Arbeitsgruppe gezeigt haben.

(v) Hohe Messwiederholbarkeit und Robustheit (Stabilität)

 

Literaturquelle:

1) Gaoliang Dai, Ziyang Jiao, Lanting Xiang et al. 2020 A novel material measure for characterising two-dimensional instrument transfer functions of areal surface topography measuring instruments, Surf. Topogr.: Metrol. Prop. 8 045025