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Deflektometrische Ebenheitsmetrologie

In der Industrie steigt der Bedarf an hochpräzisen Ebenheitsmessungen mit Unsicherheiten im Nanometerbereich an größeren Prüflingen stetig. Deshalb wurde an der PTB ein Messsystem für die hochgenaue absolute Topographiemessung von planen Flächen aufgebaut [Ehr09a, Ehr09b, Ehr10, Schu10a, Schu10b]. Das sog. DFR-System (Deflectometric Flatness Reference) basiert auf deflektometrischen Messprinzipien. Es können damit kreisförmige Prüflinge bis zu 700 mm und langgestreckte Prüflinge bis zu 900 mm liegend gemessen werden. Angestrebt werden mit den Ebenheitsmesssystemen Unsicherheiten, die je nach Prüfling für einen einzelnen Schnitt sub-Nanometer erreichen können.

Bei dem DFR-System an der PTB kommen unterschiedliche Deflektometrieverfahren zum Einsatz, u. a. die direkte, die Differenz-Deflektometrie und das „sog. Null-Verfahren (EADS)“ [Ehr12a]. Allen Verfahren gemeinsam ist, dass durch eine hochgenaue Winkelmessung mittels eines Autokollimators die Topografie des Prüflings rekonstruiert wird. Es handelt sich um Gradientenverfahren, da die Prüflingssteigungen gemessen werden und durch anschließende Integration die Prüflingstopografie bestimmt wird.  

Beim Verfahren der direkten Deflektometrie (siehe Abb. 1) werden die Steigungswinkel σ(xk) mit einem hochpräzisen Autokollimator (Genauigkeiten kleiner als 0,01 arcsec) gemessen. Der Autokollimator ist dabei fest mit der Granitbasis verbunden, während mit dem Strahlumlenker der Prüfling gescannt wird.

 


Abb. 1: Prinzip der direkten Deflektometrie

Die Topographie h(xk) erhält man „direkt“ durch Summation der gemessenen Steigungswinkel σ(xk):



Vorteilhaft bei der direkten Deflektometrie sind die kurzen Messzeiten. Nachteilig sind die sich ändernden optischen Weglängen des Autokollimatorstrahls. Dadurch wird die Kalibration des Autokollimators anspruchsvoller und aufwändiger. Aperturen kleiner als 3 mm sind mit diesen Verfahren sinnvoll nicht möglich, da die kommerziellen Autokollimatoren dann ein sehr schlechtes Signal-zu-Rauschverhältnis besitzen.

Beim Messprinzip der Differenz-Deflektometrie werden Winkeldifferenzen zwischen Positionen mit festen Abständen - den sog. Shears si - gemessen (siehe Abb. 2). Dieses Verfahren wird auch als Extended Shear Angle Difference (ESAD)-Verfahren bezeichnet. Es wurde an der PTB erfunden [Els02, Gec02].

 


Abb. 2: Prinzip der Differenz-Deflektometrie

Um hier eine eindeutige Lösung zu erhalten, benötigt man in der Regel zwei Shears 1 und 2, die teilerfremd sind [Els02]. Die Messung liefert die folgenden Winkeldifferenzen:



Daraus lassen sich durch die sog. natürliche Erweiterung und mittels Transferfunktionen die Steigungswinkel σ(xk) berechnen [Els02]. Aus den rekonstruierten Steigungswinkeln wird wieder entsprechend Formel (*) die gesuchte Topografie h(xk) berechnet. Vorteilhaft bei der Differenzdeflektometrie ist der nahezu konstante optische Weg des Autokollimatorlichts.

En weiteres Verfahren, das an der PTB entwickelt wurde, ist das sog. Exact Autocollimation Deflectometric Scanning -Verfahren (EADS) [Schu10a, Ehr12a], siehe Abb. 3. Hierbei wird an jeder Scanposition der Prüfling mit einem Piezo-Aktor senkrecht zum Strahl ausgerichtet. Der Autokollimator AC1 hat dabei die Aufgabe eines Nullinstruments. Der Autokollimator AC2 misst die Steigung des Prüflings σ(xk). Durch Summation der gemessenen Steigungen erhält man die gesuchte Topografie. Vorteilhaft bei diesem Verfahren ist, dass AC1 als Nullinstrument arbeitet und somit auch ein speziell angepasstes Nullinstrument mit höherer lateraler Auflösung verwendet werden kann. Die optische Weglänge des AC2 ist nahezu konstant und es kann somit mit größerer Apertur gemessen werden, was zu einem verbessertem Signal-zu-Rauschverhältnis führt.

 


Abb.3: Prinzip des EADS-Verfahrens

In Abb. 4 sind Fotos des DFR-Systems gezeigt.

 


Abb. 4:
Fotos des DFR Systems (links: noch ohne Einhausung, rechts: mit Einhausung)

 

In Zusammenarbeit mit der  AG 8.42 „Datenanalyse und Messunsicherheit“ wurden Modelle entwickelt, um z. B. Einflüsse von Führungsgenauigkeiten, Autokollimatorfehlern und nicht idealen Optiken auf die Messunsicherheit zu quantifizieren und damit eine Messunsicherheit zu berechnen [Ehr12a].

Mit dem System können für einzelne Schnitte Kalibrierungen durchgeführt werden. Aktuell wird das System weiterentwickelt, um auch Messungen mit lateralen Auflösungen im sub-Millimeter-Bereich anbieten zu können [Ehr17a]. Dabei wird das EADS-Verfahren (siehe Abb.3) verwendet.


Ausgewählte Veröffentlichungen


[Ehr19a] G. Ehret, H. Reinsch, M. Schulz: “Interferometric and deflectometric flatness metrology with nanometre measurement uncertainties for optics up to 1 metre at PTB“, Optical Metrology and Inspection for Industrial Applications VI , Proceedings of SPIE 11189  (2019), doi.org/10.1117/12.2538872

[Ehr17a] G. Ehret, S. Laubach, M. Schulz: „Flatness metrology based on small-angle deflectometric procedures with electronic tiltmeters“, Fouth European Seminar on Precision Optics Manufacturing ; Proceedings of SPIE: 10326, pp. 1032604-1 - 1032604-6  (2017) doi.org/10.1117/12.2268288

[Ehr12a] G. Ehret, M. Schulz, M. Stavridis, C. Elster, “Deflectometric systems for absolute flatness measurements at PTB,” Meas. Sci. Technol. 23 (2012) 094007 (8pp) doi.org/10.1088/0957-0233/23/9/094007

 [Schu10b] M. Schulz, G. Ehret, M. Stavridis, C. Elster: “Concept, design and capability analysis of the new Deflectometric Flatness Reference at PTB,” International Workshop on x-ray mirror design, fabrication and metrology, Osaka, Japan, Nucl. Instr. and Methods in Phys. Res. A616, pp. 134-139, (2010), doi.org/10.1016/j.nima.2009.10.108

[Ehr10a] G. Ehret, M. Schulz, M. Baier, A. Fitzenreiter, M. Stavridis, C. Elster: “Vergleich von hochgenauen deflektometrischen Verfahren für die Ebenheitsmetrologie,” 111. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für angewandte Optik (DGaO), Wetzlar, 25-29, Mai, 2010, [Online only], (2010), www.dgao-proceedings.de/download/111/111_a20.pdf

[Schu10a] M. Schulz, G. Ehret, A. Fitzenreiter: „Scanning deflectometric form measurement avoiding path-dependent angle measurement errors,,”  Journal of the European Optical Society: Rapid Publications (2010), www.jeos.org/index.php/jeos_rp/article/view/10026/596

[Ehr09a] G. Ehret, M. Schulz, M. Baier, A. Fitzenreiter: “A new optical flatness reference measurement system,” DGaO-Proceedings, 110. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für angewandte Optik (DGaO), Brescia, 02-05, Juni, 2009, (2009),  www.dgao-proceedings.de/download/110/110_p22.pdf

[Ehr09b] G. Ehret, M. Schulz, M. Stavridis, C. Elster: “A new flatness reference measurement system based on deflectometry and difference deflectometry“, Fringe: 6th International Workshop on Advanced Optical Metrology: pp. 318-323, (2009), doi.org/10.1007/978-3-642-03051-2_52

[Els02] C. Elster, I. Weingärtner:  Solution  to  the  Shearing  problem,  Applied Optics 38 (23):5024-5031, 1999.  [2] R. D. Geckeler, I. Weingärtner: „Sub-nm Topography Measurement by Deflectometry: Flatness Standard  and  Wafer  Nanotopography“,  in  Proc. of SPIE 4779:1-12, (2002), doi.org/10.1364/AO.38.005024

[Gec02] R. D. Geckeler, I. Weingärtner: Sub-nm Topography Measurement by Deflectometry:  Flatness  Standard  and  Wafer  Nanotopography,  in  Proc. of SPIE 4779:1-12, (2002), doi.org/10.1117/12.451723


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Dr.-Ing. Gerd Ehret

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