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Fertigungskette von Si-Kugeln und interferometrische Bestimmung des Kugelvolumens

Bestimmung der topographischen Ortsauflösung von optischen 3D-Mikroskopen in Abhängigkeit vom Aspektverhältnis der zu messenden Strukturen

22.12.2020

Optische Mikroskope werden in der Industrie aufgrund ihrer Vorteile wie schnelle, flächenhafte und zerstörungsfreie Messungen immer häufiger zur Oberflächenqualitätskontrolle eingesetzt. Optische Rauheitsmessungen sind jedoch aufgrund der Komplexität der Wechselwirkung zwischen den zu messenden Oberflächeneigenschaften und dem Messsystem oft weder vergleichbar noch rückführbar. Insbesondere bei Oberflächenstrukturen mit höheren Aspektverhältnissen werden große Messabweichungen z. B. in Form sog. Batwings und Mehrfachstreueffekte beobachtet. Das Aspektverhältnis der zu messenden Strukturen ist daher zusammen mit Neigungen und Krümmungen der Oberflächenkomponenten bei der Bestimmung der jeweiligen topographischen Ortsauflösung von optischen Mikroskopen im Hinblick auf flächenhafte Rauheitsmessungen mit einzubeziehen. Kürzlich wurde hierfür in der ISO-Norm 25178-600 der Begriff der "Topographietreue" TFi, zur Beschreibung der instrumentenbedingten Messabweichung eingeführt. Die Topographietreue hängt von der Wechselwirkung der Oberflächentopographie mit dem Messinstrument ab. Zur Beschreibung der topographischen Ortsauflösung wird die „kurze Grenzwellenlänge bei topographietreuer Messung“ (small-scale fidelity limit), d.h. das kleinste laterale Oberflächenmerkmal (z.B. die Oberflächenwellenlänge), bei dem die gemessenen Topographieparameter (z.B. die Höhe) um weniger als einen definierten Bruchteil von den Referenzwerten abweichen, verwendet.

Für die Untersuchung der Topographietreue von optischen Oberflächenmessgeräten wird ein in der PTB entwickeltes Chirp-Kalibriernormal als Referenz-Normal verwendet. Das Chirp-Normal besteht aus sauerstoffarmem Kupfer beschichtet mit einer 100 μm dicken Nickel-Phosphor-Schicht, in die mit einem Diamantdrehverfahren das Chirp-Profil eingebracht wird. Das Normal enthält vier Arten von Chirp-Strukturen:

  • Profil 1: 1 µm Amplitude mit 10 Wellenzügen (12 µm - 5 µm)
  • Profil 2: 0,7 µm Amplitude bei 12 Wellenzügen (12 µm - 4,2 µm)
  • Profil 3: 0,4 µm Amplitude bei 15 Wellenzügen (12 µm - 3,2 µm)
  • Profil 4: einheitlich 8 µm Wellenlänge, aber 12 unterschiedliche Amplituden (2 µm - 0,1 µm)

Das Chirp-Normal wurde mit einem optischen 3D-Mikroskop sowohl im konfokalen als auch im Weißlicht-Interfererenz-Modus gemessen. Abbildung 1 und Abbildung 2 zeigen typische Messergebnisse der Chirp-Strukturen mit einer festen Amplitude von 0,4 µm (Profil 3). Die Untersuchungen an den Chirp-Referenzstandards zeigen, dass bei den Messungen mit Weißlichtinterferenzmikroskopen größere Abweichungen auftreten als mit konfokalen Mikroskopen (Abb. 2).

Weitere Untersuchungen, insbesondere zum Verständnis von Oberflächentopographiemessungen unter Berücksichtigung von Aspektverhältnis, Neigung und Krümmung, müssen nun durchgeführt werden. Diese zielen darauf ab, die flächenhafte topographische Auflösung und die Topographietreue in die Unsicherheitsbudgets der optischen Rauheitsmessungen angemessen einzubeziehen.

(a) Oberflächentopographie(b) x-Profil

Abb. 1 Oberflächentopographie und ein Profilschnitt in x-Richtung einer Chirp-Struktur mit 0,4 µm Amplitude, gemessen mit einem optischen Mikroskop im Weißlicht-Interferenzmodus (50x Objektiv, numerische Apertur 0,55)

(a) Gemessen im Weißlicht-Interferenzmodus
(50x Objektiv, numerische Apertur 0,55)
(b) Gemessen im konfokalen Modus
(50x Objektiv, numerische Apertur 0,8)
 

Abb. 2 Untersuchung der Topographietreue: Gemessene Amplituden in Abhängigkeit von der Ortswellenlänge der Strukturen in Profil 3 (mit 0,4 µm Amplitude) des Chirp-Normals, gemessen im Weißlicht-Interferenzmodus und konfokalen Modus.

 

 

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