DE102005022819A1 - Verfahren zur Bestimmung der absoluten Dicke von nicht transparenten und transparenten Proben mittels konfokaler Messtechnik - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der absoluten ortsaufgelösten doppelseitigen Topographie und Dicke von Proben mittels zweier gegenüberliegender konfokal arbeitender Mikroskope. Hierbei wird nach Kalibrierung des Geräts von beiden Seiten der Probe die Topographie gemessen, summiert und die Kalibrationsebene subtrahiert. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Description

• Das hier beschriebene Verfahren dient zur hochpräzisen Bestimmung der absoluten Schichtdicke von Proben. Hierbei kann die Dicke sowohl von transparenten als auch nicht transparenten Proben mit der bei konfokalen Mikroskopen üblichen Höhenauflösung auf direktem Weg bestimmt werden. Dies wird durch eine vollautomatische Kalibrierung des Systems ohne Zuhilfenahme von Referenznormalen ermöglicht. Diese Kalibrierung dauert weniger als eine Minute und kann deshalb auch im industriellen Einsatz in kurzen Abständen durchgeführt werden.
• Bei bisher bekannten Verfahren können auf einer planfläche liegende Proben vermessen werden und über die gemessene Höhe eine Dicke errechnet werden. Nachteilig für dieses Verfahren ist die Möglichkeit auftretender Wölbungen auf der Unterseite der Probe und große Einflüsse von Fehlern bei der Montage der Probe auf das Messergebnis.
• Bei weiteren bisher bekannten Verfahren kann z.B. über optische Durchlichtverfahren die Schichtdicke von transparenten Schichten bestimmt werden, allerdings ist hierfür eine genaue Kenntnis des Brechungsindexes und der nutzbaren numerischen Apertur des verwendeten Objektivs notwendig. Trotzdem können vereinzelt Probleme bei der Auswertung entstehen, die zu falschen Resultaten führen. Das hier beschriebene Verfahren nutzt nicht die Transparenz von Schichten aus, sondern basiert auf der Messung der Probenoberflächen von zwei gegenüberliegenden Seiten. Bei diesem Verfahren ist bedingt durch thermische Ausdehnungseffekte eine regelmäßige Kalibrierung auf eine Referenzdicke bei Ausnutzung der Linearität der Messköpfe notwendig. Hier wird ein neues Verfahren zur Kalibrierung auf eine Referenzdicke ohne Verwendung von Referenzproben beschrieben. Durch dieses Verfahren ist es möglich, die absolute Dicke von bis zu fast doppelt so dicken Proben wie der Messbereich des Einzelmikroskops mit nanometergenauer Auflösung zu bestimmen. Der Messbereich beträgt in diesem Fall z.B. 250 μm bzw. 500 μm, was zu einer maximal messbaren Probendicke von fast 0,5 mm bzw. 1 mm führt.
• Es zeigen:
• 1) Prinzipskizze zur Funktionsweise konfokaler Messtechnik
• 2) Prinzipskizze des konfokalen Doppelmikroskops zur Bestimmung der Probendicke
• 3) Messaufbau des konfokalen Doppelmikroskops zur Bestimmung der Probendicke
• 4) Prinzipskizze zur Durchführung der Lateralkalibrierung mittels dünner Referenzprobe
• 5) Prinzipskizze zur Durchführung der Dickenkalibrierung ohne Referenzprobe
• 1 zeigt den üblichen Strahlengang. Hierin beleuchtet die Lichtquelle (1) über ein Linsensystem (2) und einen Strahlteiler (3) die in der Zwischenbildebene befindliche Nipkowscheibe (4). Diese enthält eine große Zahl eng benachbarter Pinholes. Die Pinholes werden mittels Objektiv (5) beugungsbegrenzt auf die Probenoberfläche abgebildet, von wo aus die Reflexion über dasselbe Objektiv auf dieselben Pinholes abgebildet wird. Das durch die Pinholes transmittierte Licht wird über eine Abbildungsoptik (7) auf den CCD-Kamerachip (8) abgebildet. Bei der Messung rotiert die Nipkowscheibe, sodass die CCD-Kamera stets ein flächiges konfokales Mikroskopbild aufnimmt. Das Objektiv (5) wird über einen Mikroversteller in einer linearen Bewegung vertikal (z-Richtung) verfahren, während ein Messrechner die Bildfolge der CCD-Kamera speichert und anschließend auswertet. Ein Algorithmus berechnet für jedes Pixel die z-Position des Intensitätsmaximums, welche als die Position der zu messenden Oberfläche definiert wird.
• 2 zeigt das Messprinzip zur Dickenbestimmung mittels zwei gegenüber liegender nach 1 arbeitender identischer Konfokalmikroskope. Beide Mikroskope verfügen über separate Steuerelektroniken und werden durch einen gemeinsamen Messrechner angesteuert. Das linke Mikroskop mit den Bezeichnungen aus 1 misst die linke Probenoberfläche (6). Anschließend misst das rechte Mikroskop (Komponenten 9–15) die rechte Probenoberfläche. Anschließend werden die gemessenen Topographien summiert und die gemessene Dicke einer infinitesimal dünnen Probe subtrahiert. Das Ergebnis ist die absolute Dicke der gemessenen Probe.
• 3 zeigt die technische Realisierung des Messprinzips aus 2, wobei links das Gesamtsystem und rechts der Bereich Objektiv-Probe abgebildet ist.
• 4 zeigt mit den Bezeichnungen aus 2 das Prinzip zur Kalibrierung der lateralen Bildausschnitte der beiden Mikroskope zueinander. Anhand einer durchsichtigen dünnen Probe (6), z.B. einem Deckgläschen mit 170 μm Dicke kann man mithilfe von charakteristischen Stellen die Lage der Kamerabildfelder zueinander einstellen. Dafür führt man eine Messung derselben Oberfläche von beiden Seiten durch. Betrachtet man charakteristische Stellen, so müssen diese sich im Bild an derselben Stelle befinden. Mögliche Abweichungen können durch geeignetes Verschieben, drehen und Änderung des Abbildungsmaßstabs aufeinander angepasst werden. Die auf diese Weise gefundenen Parameter werden in jeder folgenden Messung angewendet. Diese Kalibrierung muss nur bei Neueinrichten und bei Bedarf durchgeführt werden, wobei die Richtigkeit der ermittelten Parameter regelmäßig geprüft werden sollte.
• 5 zeigt das Funktionsprinzip zur Kalibrierung der Dickenmessung von dünnen Proben. Mit den Bezeichnungen aus 2 wird zum Abgleich der Fokusebenen im Konfokalmodus mit einem Mikroskop mit stehender Nipkowscheibe in das jeweils andere hineingeleuchtet. Das zweite Mikroskop misst die vertikale Position der maximalen Intensität. Daraus ergibt sich eine virtuelle Topographie, welche als Position der Fokusebene interpretiert wird. Nach dieser Messung erfolgt eine Kontrollmessung, bei der Beleuchtungsmikroskop und Messmikroskop getauscht werden.
• Einstellungen: Zur Durchführung der Messung wird zunächst die Piezoposition (5) von Kopf 1 auf einen Wert von etwa 50 μm eingestellt, wobei die Position 0 μm jeweils die dem anderen Messkopf am nächsten liegende Position ist. Danach führt Messkopf 2 eine Messung durch, wobei dessen Lichtquelle (11) abgeschaltet ist und die Nipkowscheibe (14) rotiert. Bei der Auswertung werden nur Punkte berücksichtigt, dessen Intensität sehr hoch ist, d.h. es werden nur die durch das gegenüberliegende Mikroskop beleuchteten Punkte ausgewertet. Man bekommt also ein Mapping der Überlagerung der Fokusebenen. Die infinitesimal dünne Probe wird durch dieses Messprinzip simuliert. Eine Gegenprobe kann durchgeführt werden, indem dieselbe Prozedur spiegelverkehrt durchgeführt wird. Hierbei wird also die Nipkowscheibe (14) des rechten Messkopfes angehalten und durch die Lichtquelle (11) beleuchtet, während über die rotierende Nipkowscheibe (4) des linken Messkopfes mittels CCD-Kamera (4) der konfokale Bildstapel bei Scannen des linken Objektivs (5) aufgenommen wird. Aus den Resultaten werden jeweils die mittlere Höhendifferenz und die Steigungen in x- und y-Richtung berechnet. Ausgehend von der richtigen Grundkalibrierung sollten die Ergebnisse im Rahmen der Messgenauigkeit der Einzelmikroskope identisch sein. Auf diese Art kann also die Dickenbestimmung durch die Messmaschine ohne weitere Materialien auf einfache, automatisierbare Weise kalibriert werden. Auf diese Weise kann die Genauigkeit der einzelnen Messgeräte auf die Dickenmessung mit beiden Messgeräten übertragen werden.

Claims (6)

1. Verfahren zur Bestimmung der absoluten ortsaufgelösten doppelseitigen Topographie und Dicke von Proben mittels zwei gegenüberliegenden konfokal arbeitenden Mikroskopen. Hierbei wird nach Kalibrierung des Geräts von beiden Seiten der Probe die Topographie gemessen, summiert und die Kalibrationsebene subtrahiert.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwei gegenüberliegende konfokal arbeitende Mikroskope, wobei nach Kalibrierung des Geräts von beiden Seiten der Probe die Topographie gemessen, summiert und die Kalibrationsebene subtrahiert wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikroskop auf Multipinholetechnik mittels rotierender Nipkowscheibe basiert.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikroskop auf Multipinholetechnik mittels einer Matrix aus Mikrospiegeln basiert.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikroskop ein konfokaler Punktsensor ist.
6. Verfahren zur Kalibrierung der gemessenen Dicke bei Vorrichtungen nach Anspruch 3–5, dadurch gekennzeichnet, dass keine Referenzprobe notwendig ist.