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EURAMET project 1242 underlines the need for research in the field of optical surface measurements

Categories:
  • Division 5
  • Fundamentals of Metrology
22.12.2020

Im Rahmen des von der PTB koordinierten EURAMET-Projekts 1242 wurden erstmals vergleichende Messungen der Flächenrauheit mit verschiedenen optischen Oberflächen-Messverfahren an sechs Metrologie-Instituten durchgeführt.

Die Aufgabe bestand darin, die Rauheit von vier Proben zu messen. Dabei handelt es sich zum einen um drei Proben, die eine hohe räumliche Auflösung, aber ein kleines Messfeld erfordern. Hier wurden zwei geläppte Si-Chips (ARS-F1 und ARS-F2) der Firma Simetrics und ein mittels fokussiertem Ionenstrahl (FIB) hergestelltes Normal (UFRS Utrafine roughness standard) von der Firma point electronic verwendet. Die vierte Probe (B40-VP04) wurde von der Firma Rubert & Co. in England hergestellt. Sie weist sehr langwellige Merkmale auf, so dass ein viel größeres Messfeld zur zuverlässigen Bestimmung der Rauheit erforderlich ist.

Weiterhin wurden Messungen an einem Auflösungsnormal vom Typ RS-N (Firma Simetrics) durchgeführt, welches Rechteckprofile gleicher Höhe (240 nm), aber unterschiedlicher Gitterperioden von 300 nm bis 6 µm aufweist, und damit grobe Informationen zur Übertragungsfunktion des Instruments liefert.

Der Vergleich legte offen, dass insbesondere die feineren Raunormale mit vergleichsweise kurzwelliger Rauheit, unerwartet große Schwierigkeiten bei der optischen Rauheitsmessung hervorrufen. So wichen die von den einzelnen Instituten gemeldeten Werte z. B. für die Mittenrauheit Sa um bis zu 60 % von den Referenzwerten ab, und die von erfahrenen Metrologen angegebenen Unsicherheiten erwiesen sich vielfach als zu klein abgeschätzt. Darüber hinaus zeigte sich eine große Abhängigkeit vom gewählten Messprinzip und den verwendeten Objektiven. Die vorläufige Analyse legt den Schluss nahe, dass das Ortsfrequenzspektrum der Strukturen, welche die Rauheit ausmachen, und die darin enthaltenen Flankenwinkel der Textur einen wesentlichen größeren Einfluss auf die Rauheitsergebnisse haben, als bislang angenommen wurde.


Abb. 1

Der Vergleich unterstreicht auch, dass bei Verwendung lediglich von Rechteckgittern mit unterschiedlichen Perioden keine Charakterisierung der Geräte hinsichtlich ihres Übertragungsverhaltens für unterschiedliche Steigungen erhalten wird. Daher müssen zukünftig auch sinusförmige Strukturen (siehe Kurzbeitrag zur Bestimmung der topographischen Ortsauflösung) verwendet werden. Es wird vermutet, dass die bei optischen Messungen beobachteten Artefakte zu starken Abweichungen der gemessenen Rauheitskennwerte führen. Weitere experimentelle Untersuchungen sind erforderlich, um einen guten praxistauglichen Kompromiss von Aufwand (Messungen an zahlreichen Charakterisierungsproben) und Erkenntnis (Einflussfaktoren auf die Messung) zu erzielen.

An den Normalen mit sehr langwelligen Texturen (B40-VP04) bestand die Herausforderung, in den Geräten implementierte Stitchingverfahren zum Aneinandersetzen mehrerer Bilder, zu validieren. Dabei führten der gewählte Stitching-Algorithmus, die Nivellierstrategie und Vorverarbeitungschritte zu einer geringen Konsistenz der von den Teilnehmern bestimmten Rauheitsparameter. Eine erneute Auswertung der von den Teilnehmern gelieferten Rohdaten mit einer von der PTB entwickelten Auswertungssoftware zeigte jedoch, dass die Messergebnisse der Teilnehmer dann sehr gut übereinstimmten.

Im Rahmen der EMPIR-Ausschreibung 2020 „Metrology for Industry“ wurde ein Forschungsprojekt beantragt, mit dem die Einflussfaktoren, die sich aus den Messprinzipien, dem gewählten Objektiv und den Eigenschaften der Messobjekte ergeben, untersucht werden sollen. Durch eine enge Verknüpfung von experimentellen Untersuchungen und numerischer Modellierung, sollen die am häufigsten genutzten optischen Messverfahren in enger Kooperation mit anderen Partnern im Verbundforschungsprojekt systematisch untersucht werden. Übergeordnetes Ziel des Projekts ist es, rückführbare 3D-Rauheits- und Dimensionsmessungen mittels optischer 3D-Mikroskopie und optischen Abstandssensoren zu ermöglichen, mit einem besonderen Schwerpunkt auf der Entwicklung praxisnaher Anleitungen (Good Practice Guides) zur Auswahl der am besten geeigneten Messgeräte und deren Einstellung für den jeweiligen Messzweck.

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