DE102007054734B4

DE102007054734B4 - Verfahren zum Erfassen eines Oberflächenprofils

Info

Publication number: DE102007054734B4
Application number: DE200710054734
Authority: DE
Inventors: Jan Klemm; Heinz Wolfgang Lahmann
Original assignee: GFE GES fur FERTIGUNGSTECHNIK; Gfe Gesellschaft fur Fertigungstechnik U Entwicklung Schmalkalden Ev
Current assignee: GFE GES fur FERTIGUNGSTECHNIK; Gfe Gesellschaft fur Fertigungstechnik U Entwicklung Schmalkalden Ev
Priority date: 2007-11-16
Filing date: 2007-11-16
Publication date: 2009-12-24
Anticipated expiration: 2027-11-17
Also published as: DE102007054734A1

Abstract

Verfahren zum kombinierten flächenhaften Erfassen von Höhenwerten mittels Interferometrie (interferometrischer Messmodus) und zum Messen lateraler Geometrieelemente (lateraler Messmodus) mit Hilfe der Aufzeichnung durch eine Digitalkamera bei vertikaler Verschiebung entlang der optischen Achse mittels geeichtem Positioniersystem und digitaler Auswertung optischer Abbildungen eines Messobjektes, gekennzeichnet durch die Anwendung von zwei Long-Working-Distance- oder Super-Long-Working-Distance-Objektiven bei einer breitbandigen LED-Beleuchtung mit einer Bandbreite größer 150 nm, die im Bereich einer Wellenlänge von 150 nm bis 2500 nm liegt, die in einem bestimmten Bereich des Spektrums, d. h. im Ultraviolett-, nahen Ultraviolett-, sichtbarem Lichtband, nahen Infrarot- und Infrarot-Band, als Interferenzobjektive in Form eines Linnik-Interferometers eingesetzt werden, um phasenverschobene Interferenzerscheinungen innerhalb der separat erfassten schmalbandigen Farbkanäle (z. B. Rot, Grün, Blau) mit einer Bandbreite kleiner, gleich 100 nm bei konstanter Phasenlage untereinander zu erreichen, d. h. die Orte der Interferenzerscheinungen der einzelnen Farbkanäle liegen höhenversetzt um einen bestimmten farbkanalabhängigen Betrag, mit Hilfe einer digitalen Farbkamera zu erfassen...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum flächenhaften Erfassen von Höhenwerten eines Oberflächenprofils von Messobjekten mittels Weißlichtinterferometrie.
Um Höhenstrukturen auch an gestuften Objekten flächenhaft mit hoher Genauigkeit optisch zu messen, eignet sich vor allem die vertikal scannende Weißlichtinterferometrie (WLI), wie das in der Patentschrift DE 10 2004 022 341 in umfassender Form beschreibend dargestellt wurde.
Danach stellen das Michelson-, Linnik- und das Mirau-Interferometer übliche interferometrische Anordnungen dar. In der WLI wird eine Weißlichtquelle, typischerweise eine Halogenlampe, zur Beleuchtung eingesetzt. Während der Messung wird die optische Weglängendifferenz zwischen dem Mess- und dem Referenzstrahlengang kontinuierlich vergrößert oder verringert, während im Abstand von weniger als 100 nm Interferenzbilder des Objektes schrittweise im allgemeinen mit einem flächig auflösenden Pixelsensor (z. B. CCD- oder CMOS-Array) aufgezeichnet werden. Die optische Weglängenänderung kann entweder durch eine Bewegung des Messobjektes in Richtung des Interferometers, eine Bewegung des Interferometers in Richtung auf das Objekt oder durch eine Bewegung eines Referenzspiegels entlang der optischen Achse im Referenzstrahlengang erzeugt werden. Dieser Vorgang wird als „vertikales Scannen” bezeichnet. Der von der optischen Weglängendifferenz abhängige Intensitätsverlauf für jedes Kamerapixel, das so genannte Korrelogramm, wird zur weiteren Signalauswertung zugeführt.
Bei der WLI-Signalauswertung wird zwischen der Kohärenzpeak-Auswertung, die eine vergleichsweise grobe Abschätzung der Höhenlage eines Messpunktes mit Abweichungen von teilweise über 100 nm liefert und der Phasenauswertung unterschieden, die sehr geringe Messunsicherheiten im Nanometer- oder Subnanometerbereich erlaubt. Der Höhenmessbereich wird dabei lediglich durch den Verfahrweg und den Längenmessbereich des verwendeten hochauflösenden Wegmesssystems eingeschränkt, innerhalb dessen eine geregelte Positionierung entlang der Höhenachse erfolgt.
Laterale Geometriemerkmale von Messobjekten lassen sich über die digitale Auswertung von Pixelbildern bestimmen. Bei mikroskopischen Objekten wer den folglich Messmikroskope mit geeigneten Kameras ausgerüstet, um solche Pixelbilder aufzuzeichnen und anschließend digital auszuwerten. Ein Vorteil dieses Verfahrens besteht in der hohen Messgeschwindigkeit, relativ zum „vertikalen Scannen”, die es gestattet, bei entsprechender Synchronisation zwischen dem Bildeinzug und der Anregung des Messobjektes auch Untersuchungen des dynamischen Verhaltens entsprechender Messobjekte vorzunehmen. Sämtliche Verfahren sind hinsichtlich der erreichbaren lateralen Auflösung jedoch den durch die beugungsbegrenzte Abbildung gegebenen Einschränkungen unterworfen. Dies führt bei Verwendung von sichtbarem Licht zu minimalen lateralen Auflösungen von ca. 0,5 μm.
Soll die auf digitalisierten lichtmikroskopischen Aufnahmen basierende Auswertung lateraler Strukturen mit einer der oben genannten Interferometer-Anordnungen durchgeführt werden, wirken sich die in der Interferenzmikroskopie zwangsläufig auftretenden Interferenzeffekte aufgrund der dadurch bedingten zusätzlichen Bildkontraste störend aus. Bei gegenwärtig bekannten Systemen ist mindestens der Austausch des Objektivs erforderlich, um weißlichtinterferometrische und laterale bildverarbeitungsbasierte Messungen vornehmen zu können. Hierbei geht jedoch der genaue Bezug zwischen der mittels WLI bestimmten Höhenlage und einem mit begrenzter Schärfentiefe aufgenommenen lichtmikroskopischen Bild verloren. Ein weiterer Nachteil sind die Kosten für das zusätzliche Objektiv und ggf. dem Objektivrevolver, der für eine automatisierte Umschaltung zwischen den beiden Messmodi erforderlich ist.
Nach derzeitigem Stand eingesetzte Weißlichtinterferometer in Form eines Michelson-, Mirau- oder Linnik-Interferometers lassen zudem aufgrund der Beleuchtungsverhältnisse und der eingesetzten Objektive nur einen sehr geringen Arbeitsabstand im Bereich weniger Millimeter (< 5 mm) zu. Größere Arbeitsabstände im Bereich bis 15 mm sind nur durch spezielle Objektive möglich.
Diese sind sehr kostenaufwendig. Der geringe Arbeitsabstand erlaubt es zudem, nur Proben zu vermessen, deren Höhenprofil einen kleineren Bereich aufweist als der Arbeitsabstand. Ebenfalls ist geometrisch bedingt die Verkip pung der Probe gegenüber dem Objektiv eingeschränkt. Bohrungen, Hinterschneidungen oder anderweitige kompliziertere Oberflächenstrukturen können daher nur eingeschränkt vermessen werden.
Zum Erfassen von Oberflächenprofilen mit Hilfe der Weisslichtinterferometrie sind durch Stand der Technik bereits Lösungsvorschläge bekannt. So wird durch das US-Patent US000007034271 B1 die Vermessung von mikroelektromechanischen Elementen mittels Long-Working-Distance (LWD) Mikroskopobjektiven im Linnikaufbau beschrieben, wobei das Objektiv des Referenzstrahlengangs durch ein variabel einstellbares optisches System ersetzt wird. Der Gegenstand der Erfindung ist hierbei der Verzicht des Referenzobjektives, was die sehr aufwendige Suche und Vermessung zweier optisch identischer LWD-Objektive vermeidet. Hierbei wird die Schwierigkeit dargestellt, das zum Finden zweier optisch identischer LWD-Objektive eine breit angelegte Suche und Klassifizierung durch eine große Menge von bauähnlichen bzw. baugleichen LWD-Objektiven notwendig ist und dass hierfür sehr umfangreiche und aufwendige optische Vermessungen erforderlich sind. Dieser Darstellung zu Folge ist ein hoher Kontrast in den Interferenzbildern des Messsystems nur unter Verwendung von absolut optisch identischen LWD-Objektiven möglich. Da die variable einstellbare Referenzoptik im Linnik-Interferometer-Aufbau betrieben wird, und diese exakt das optische Verhalten des LWD-Objektives im Objektstrahlengang nachbilden muss, ist der Einstell- und Justageaufwand unverhältnismäßig hoch. Wird der Abbildungsmaßstab des LWD-Objektives im Objektivstrahlengang geändert durch Wechseln des LWD-Objektives (5×, 10×, 20×, 50×, 100×, 150× etc.), so erzwingt dies die Neujustage der Elemente innerhalb des variablen optischen Systems, was eine Verschiebung der Scharfebene des Interferenzbildes zur Folge hat. Diese Wechselwirkung macht zusätzlich eine Neuausrichtung der beteiligten optischen Elemente zueinander entlang der optischen Achse erforderlich. Das heisst, Referenzspiegel, Referenzoptik, Strahlteiler, Objektivstrahlengangsoptik und Probe mussen neu zueinander positioniert werden.
Darin zeigt sich, dass gegenüber einem klassischen Linnik-Aufbau ein unverhältnismäßig höherer Einstellaufwand notwendig ist, insbesondere wenn Lichtquellen mit einem breitbandigen Spektrum zum Einsatz kommen, die eine sehr kurze Kohärenzlänge zur Folge haben.
Die Verwendung einer Kohärenzlänge von beispielsweise etwa 1,6 Mikrometern erfordert hierbei anspruchsvollere Einstellgenauigkeiten im Submikrometerbereich, was erheblich geringere Fertigungstoleranzen im Präzisions-Messaufbau erfordert und damit nicht mehr wirtschaftlich erscheinen lässt.
Durch das US-Patent US20040257582A1 ist ein zweistrahliges Interferometer zur topografischen Vermessung von sehr glatten Oberflächen bekannt. Bei dem hier beschriebenen Messystem findet kein Linnik-Aufbau, sondern die Kombination zweier Interferometer als Michelson-Aufbau zur Anwendung. Dieser Aufbau realisiert eine jedoch eine andere Messfunktion, d. h. gegenüber einem klassischen Linnik-Aufbau verkörpert das Messsignal die Höhendifferenz von örtlich benachbarten Oberflächenpunkten bzw. Oberflächenbereichen. Damit können Steigungen, d. h. die Höhendifferenz bezogen auf den Abstand zweier Punkte, einer Probe als direktes Messsignal erfasst werden. Die Besonderheit dieser Messanordnung ist die Verwendung von zwei Long-Working-Distance-Objektiven, damit durch den längeren Arbeitsabstand der Objektive das Platzieren einens Strahlteilers zwischen Objektiv und Probe möglich wird und somit die Kombination von lateral verschobenen Oberflächenpunkten möglich ist. Durch das Vorsetzen des Strahlteilers vor die Objektive reduziert sich der Arbeitsabstand mindestens um die Baugröße des Strahlteilerwürfels. Damit verkürzt sich beispielsweise beim Vorsetzen eines Strahlteilerwürfels von 15 mm oder 20 mm Kantenlänge der bisherige Arbeitsabstand der LWD-Objektive von 24 mm auf 9 mm oder 4 mm.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine zur Vermessung von Oberflächenstrukturen geeignete Einrichtung zum flächenhaften Erfassen von Höhenwerten eines Oberflächenprofils mittels WLI anzugeben, mit welcher größere Arbeitsabstände, größer als 20 mm, erreicht werden können. Es gehört ferner zur Aufgabenstellung der Erfindung, unter Anwendung des Linnik-Interferometer-Prinzips zwei identische Long-Working-Distance-Objektive (LWD) oder aber Super-Long-Working-Distance-Objektive (SLWD), davon eines in den Messstrahlengang und ein zweites in den Referenzstrahlengang einzusetzen. Die Bezeichnung Super-Long-Working-Distance-Objektive kennzeichnet spezielle Mikroskopobjektive, die gegenüber herkömmlichen Long-Working-Distance-Objektiven ähnlicher Vergrößerung einen deutlich erhöhten Arbeitsabstand aufweisen, der etwa um Faktor 1,5 höher ist. Die technischen Kennwerte bezüglich Arbeitsabstand und Vergrößerung sind abhängig vom Hersteller und Typ der verwendeten Objektive. Diese Kenndaten wurden durch die Objektivhersteller veröffentlicht und kennzeichnen den aktuellen Stand der Technik.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in den Patentansprüchen charakterisierten technischen Merkmalen der Verfahrensdurchführung und unter Anwendung der zugehörigen Einrichtung gelöst.
Diese dort bezeichneten Lösungsmittel erlauben es, durch die Anwendung zweier herkömmlich bekannter LWD- oder SLWD-Objektive, ein kompaktes Messmodul zu schaffen, wobei nur ein Objektiv auf das Messobjekt gerichtet ist und mit einem Arbeitsabstand (Abstand zwischen Objektiv und Objekt) von vorzugsweise zwischen 20 und 50 mm zu betreiben. Somit wird die Erfassung komplexer Oberflächenstrukturen wie tiefe Senken und Bohrungen oder auch abrupter Anstiege des Höhenprofils im genannten Bereich möglich. Ebenfalls gestattet der Arbeitsabstand, beispielsweise bei Anwendung eines LWD-Objektiv-Paars bei 10-facher Vergrößerung mit dem Arbeitsabstand von etwa 36 mm, eine Verkippung der Probe in dieser Größenordnung, so dass auch Hinterschneidungen und ähnliche komplexe Strukturen vermessen werden können.
Insgesamt sind alle Systeme der Einrichtung stabil und schwingungssicher aufgebaut.
Der Abstand von Objektiv zum Objekt wird mittels weggeregeltem Feinpositioniersystem entweder durch vertikales Verschieben des Messkopfes oder durch vertikales Verschieben der Probe verändert. In einem ausgewählten Bereich wird das Höhenprofil der Probe in Z-Richtung abgefahren.
Mittels manueller oder motorisch gesteuerter Blende im Referenzstrahlengang kann zwischen den Betriebsarten „interferometrische Messung” und „laterale Bildaufnahme” umgeschaltet werden. Durch den geringen Tiefenschärfebereich von beispielsweise 1,6 μm der verwendeten Objektive kann im lateralen Bildaufnahmemodus ebenfalls eine schichtweise Aufzeichnung des Höhenprofils der Probe erfolgen. Diese Betriebsart „lateraler Bildaufnahmemodus” wird auch als 3D-Messverfahren mittels Fokusvariation bezeichnet.
Das Objekt wird mittels Hellfeldbeleuchtung ausgeleuchtet, wobei als Lichtquelle eine LED Beleuchtung mit breitbandigem weißen Licht zum Einsatz kommt, die durch den Strahlenteiler im Objektstrahlengang eingespiegelt wird. Hierbei kommt eine Weißlicht-LED zur Anwendung, deren Spektrum (Bandbreite) > 150 nm sich oberhalb einer Wellenlänge von < 500 nm erstreckt. Für bestimmte Anwendungen kann auch parallel eine Halogenlampe oder grüne, rote bzw. blaue LED Beleuchtung zum Einsatz kommen, die über einen vorgeschalteten Beleuchtungsstrahlteiler eingespiegelt werden und ebenfalls einzeln anwählbar sind, ohne mechanische oder motorische Betätigung. Durch den Vorsatz eines Filters im Beleuchtungsstrahlengang kann das Spektrum an die Anforderungen der Messaufgabe angepasst werden.
Die erfindungsgemäße Einrichtung lässt sich als kompaktes Sensormodul ausführen und ermöglicht bei vergleichsweise geringen Gerätekosten eine Vielzahl von Anwendungen, speziell aus dem Bereich Mikrosystemtechnik. Sie trägt damit den ständig wachsenden Ansprüchen an die Messgenauigkeit, die Messgeschwindigkeit und die prozessnahe, flexible Einsetzbarkeit Rechnung. Der Einsatz von standardisierten LWD- oder SLWD-Mikroskopobjektiven und die Anwendung von LED Beleuchtungen bringen gegenüber den in der WLI üblichen thermischen Strahlern deutliche Vorteile hinsichtlich Gestaltungsfreiheit, Kompaktheit, Lebensdauer und Reduzierung thermischer Störeffekte.
Die Bildaufnahmen können ohne Umbau des Systems sowohl im Farb- als auch im schwarz-weißen Modus durchgeführt werden.
Farbaufnahmen in den Kanälen Rot, Grün, Blau haben den Vorteil, dass die Interferenzen und somit die Kontraste im jeweiligen Farbkanal einzeln aufgenommen werden können. Da die Interferenzen bei der WLI, bedingt durch die eingesetzten LWD- oder SLWD-Objektive, bezogen auf die einzelnen Farbanteile rot, grün und blau bei konstanter Phasenlage untereinander phasenverschoben gegenüber der optischen Weglänge auftreten, kann durch die getrennte Bildaufnahme und -auswertung der einzelnen Farbkanäle eine Kontraststörung infolge der Überlagerung dieser phasenverschobenen Interferenzeffekte vermieden werden. Damit ist die Zuordnung von optischer Weglänge zu den Interferenzstreifen des jeweiligen Farbkanals (R, G, B) zu dessen Intensitätsänderung eindeutig möglich und erlaubt eine wesentlich genauere Positionsbestimmung der Höhenpunkte des Objektes.
Die Koppelung der Messvorrichtung mit mechanischen Positioniereinheiten für die x, y, z-Achse, die mit geeigneten Inkrementalmesssystemen bzw. Positionsmessystemen ausgestattet sein können, erlaubt es, Messungen unterschiedlicher Objektbereiche zueinander in Beziehung zu setzen. Der Begriff Positionsmesssysteme bzw. Inkrementalmesssysteme beschreibt eine Einheit von Wegmesssystemen, die in der Lage sind, die Ortsänderung des Messobjektes eindeutig im Bezug auf die Lage des Messkopfes entlang der verwendeten Translations- bzw. Rotationsachsen hochgenau zu erfassen mit einer Messunsicherheit von kleiner, gleich 1 nm bzw. kleiner, gleich 3,6·10^–9 grd und diese Messdaten einer übergeordneten Einheit über elektrische Schnittstellen bereitzustellen. Je nach Messaufgabe können auch rotatorische Positionierachsen zweckmäßig sein.
Das beispielsweise unter Verwendung einer blauen LED als Lichtquelle aufgenommene lichtmikroskopische Bild dient der lateralen Erfassung von Geometrieaufnahmen mit hoher Auflösung. Allein aufgrund der geringen Wellenlänge des blauen Lichtes lassen sich laterale Auflösungen < 0,5 μm erreichen. Mit Hilfe einer externen Lichtquelle (Dunkelfeld) auf Basis blauer LEDs, z. B. eine segmentweise ansteuerbare Ringlicht-Beleuchtung, kann im lateralen Bildaufnahmemodus auch auf geneigten spiegelnden Flanken, zum Beispiel in Bohrungen, gemessen werden, ohne das Messobjekt aufwendig kippen zu müssen.
Die interferometrische Anordnung lässt sich erfindungsgemäß auch im Phasenschiebemodus betreiben. In diesem Fall wird entweder eine näherungsweise monochromatische Lichtquelle für die interferometrische Messung verwendet oder entsprechend der Messaufgabe wird durch freie Anwahl verschiedener Beleuchtungen unterschiedlicher Bandbreiten nacheinander kombiniert und damit unterschiedliche Kohärenzlängen in den Interferogrammen erreicht.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden die Einzelsysteme der Messvorrichtung so aufeinander abgestimmt betrieben, dass die jeweilige Messaufgabe in optimaler Weise gelöst wird. Dabei werden laterale Strukturgrößen mittels Bildverarbeitung analysiert, Höhenstrukturen mittels Weißlichtinterferometrie erfasst und weitere Merkmale, z. B. Mikrostrukturen auf senkrechten Flanken (Rauheit) erfasst. Sämtliche Messdaten liegen im selben Bezugssystem vor und können miteinander verglichen werden.
Die Auswertung der Interferogramme ist bei der erfindungsgemäßen Einrichtung unter Anwendung eines darauf abgestimmten Messverfahrens sowohl einzeln in jeweils einem Farbkanal (Rot, Grün, Blau) als auch in einer Kombination dieser Farbkanäle bzw. aller Farbkanäle möglich. Dadurch erlaubt das Auswerteverfahren einen geschwindigkeitsoptimierten und andererseits einen genauigkeitsoptimierten Betrieb, wodurch die vertikale Auflösung bis auf einige Nanometer bzw. Subnanometer möglich ist (kleiner 10 nm bis ca. 0.1 nm).
Ausführungsbeispiel:
Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher dargestellt und erläutert werden.
Die zugehörige Zeichnung stellt

• die Aufbauten des Messkopfes als Linnik-Weißlichtinterferometer mit umschaltbarer LED-Beleuchtung und Z-Achse dar.

Die Lichtquellen entweder (11) oder (12), wobei eine Halogenlampe bzw. weiße, blaue, grüne oder rote LEDs zum Einsatz kommen können, werden über einen Strahlenteiler (10) mit nachgeschaltetem Kondensor (9), der als herkömmliches Mikroskopobjektiv ausgeführt sein kann, durch eine einstellbare Aperturblende (8) auf dem Kondensor (7) abgebildet, wobei im Ergebnis ein nahezu parallel verlaufender Beleuchtungsstrahlengang entsteht.
Zusätzlich kann durch ein Filter (13) das Spektrum der Lichtquelle variiert werden. Durch die Aperturblende (8) wird Licht anderer Schwingungsrichtung- und Ebenen eingeschränkt. Im Strahlenteiler (5) wird die nahezu parallel ein tretende Beleuchtungsstrahlung zum einen auf das LWD- oder SLWD-Objektiv (3) des Objektstrahlengangs projiziert, womit das Objekt (1) im Hellfeld beleuchtet wird, und zum anderen wird die nahezu parallel verlaufende Beleuchtungsstrahlung auf das LWD- oder SLWD-Objektiv (4) des Referenzstrahlengangs projiziert. Durch den Vorderflächenplanspiegel (2) wird das kohärente Licht des Referenzstrahlengangs zurück reflektiert und über das LWD- oder SLWD-Objektiv (4) auf den Strahlenteiler (5) abgebildet. Durch das LWD- oder SLWD-Objektiv (3) des Objektstrahlengangs wird die Abbildung des Objektes (1) auf den Strahlenteiler (5) projiziert und mit dem kohärenten Licht des Referenzstrahlengangs überlagert. Liegen die Höhenpunkte des Objektes (1) auf der Ebene gleicher optischer Weglänge gegenüber dem Referenzstrahlengang, so führt die Überlagerung im Strahlenteiler (5) von Referenzstrahlungsabbildung und Objektabbildung zu Interferogrammen, die auf den Kamerasensor (14) projiziert werden. Durch einen Filter (15), der entweder manuell wechselbar oder aber mit elektrisch gesteuertem veränderlichen Transmissionsgrad ausgeführt ist, im Referenzstrahlengang kann sowohl die Beleuchtungsintensität als auch das Spektrum des Lichts vom Referenzstrahlengang den optischen Eigenschaften der Probe wie beispielsweise Reflexionsgrad oder Farbe angepasst werden. Das von Kamerasensor (14) aufgenommene und digitalisierte lichtmikroskopische Bild wird an einen Auswerterechner (16) zur Zwischenpufferung weitergeleitet. Als Kamerasensor (14) kommt beispielsweise eine 3-Chip Pixelkamera mit einer Bildgröße von 739×572 Pixeln zum Einsatz, wobei jeder Farbkanal (rot, grün, blau) mittels Vorfilter und eigenständigem Chip aufgenommen werden.
Der Auswerterechner (16) besitzt eine Schnittstelle zum Einlesen der digitalisierten farbigen Aufnahmen und eine weitere Schnittstelle zum Ansteuern der weggeführten Regelung (17) für die z-Achse (18).
Die interferometrische Messung erfolgt dadurch, dass bei eingeschalteter Weißlicht-LED der Messkopf (2–13) bezogen auf den Abstand zur Probe (1) entlang der optischen Achse mittels Feinpositioniereinheit (z-Achse 18) verschoben wird und für verschiedene Höhenpositionen des Objektes Interferenzbilder aufgenommen werden. Dabei ist jedem Interferenzbild eine eineindeutige absolute vertikale Position zugeordnet. Durch die geringe Tiefenschär fe (beispielsweise 1,6 μm bei 20×LWD-Objektiv) wird nur dieser Bereich der Probe an der aktuellen vertikalen Position scharf abgebildet. Das hat den Vorteil, dass anderweitige oberflächenbedingte Reflexionen oder sonstige Bildstörungen außerhalb des Tiefenschärfebereichs unterdrückt werden. Dieser Bildaufnahmevorgang wird beginnend von einer vertikalen Startposition in einer Schleife von n-Iterationen bis zu einer vertikalen Endposition durchgeführt. Somit ist die vertikale Schrittweite (deltaZ) und Anzahl der Messungen beliebig skalierbar, je nachdem ob geschwindigkeitsoptimiert oder genauigkeitsoptimiert gemessen werden soll (1 nm =< deltaZ <= 1000 nm Unterabtastung der Interferogramme beachten!). Die anderen Lichtquellen sind bei der interferometrischen Messung nicht eingeschaltet.
Das Verschieben des gesamten Messkopfes erlaubt einen wesentlich schnelleren Messablauf, da die weggeregelte z-Achse auf die Dynamik des Messkopfes optimiert eingestellt ist. Somit können unterschiedlich große und unterschiedlich schwere Proben problemlos erfasst werden. Die Dynamik der Wegregelung des Messkopfes ist exakt abgestimmt, d. h. die Performance der Z-Verstellung ist bezogen auf die Geschwindigkeit und Positioniergenauigkeit optimiert. Die kleinste Auflösung in Z-Richtung beträgt 2 nm, da zur Ansteuerung der z-Achse ein 16 bit D/A-Wandler zum Einsatz kommt.
Da der Messkopf eine gleich bleibende Masse hat, ist somit immer eine genaue und performante Bildaufnahme der Z-Serie unabhängig von der Masse und Größe der Probe möglich. Der Gesamtstellbereich der verwendeten z-Achse Messkopfes beträgt 109 μm. D. h. bei Verwendung eines Feinpositioniersystems über einen größeren Stellbereich ist die Aufnahme von Proben mit entsprechend größerer Streuung (Bereich) des Höhenprofils möglich.
Weiterhin kann im lateralen Bildaufnahmemodus beispielsweise bei eingeschalteter blauen oder grünen LED die Messung erfolgen, wobei die Interferenzen nicht auftreten wegen der Phasenverschiebung des Kontrastmaximums der Interferogramme, die nun außerhalb des Tiefenschärfebereiches liegen würden. Ein mechanischer Umbau bzw. eine motorisch angesteuerte Änderung der Messanordnung ist hierbei nicht notwendig.
Sowohl im lateralen wie auch im interferometrischen Bildaufnahmemodus ist eine schnelle Vermessung der Probe möglich, da die Höhenstruktur anhand einer zwischengespeicherten Reihe (z-Serie) von Bildaufnahmen direkt ausgewertet wird. Gegenüber taktilen Verfahren entfällt ein aufwendiges laterales Positionieren bezüglich der einzelnen Höhenpunkte des Oberflächenprofils.
Durch die Verwendung von Objektiven kleineren, beispielsweise 1× bis 5×, oder größeren beispielsweise 20× bis 150×, Abbildungsmaßstabes kann die laterale Auflösung skaliert werden. Aufgrund der geänderten Apertur dieser Objektive kann das Messsystem entsprechend der Messaufgabe an eine stärkere Flankenneigung der Oberflächenstrukturen angepasst werden.
Durch Kombination dieses Messsystems mit einer motorischen lateralen Verfahreinheit (x-y-Achsen) lassen sich auch größere Proben durch Zusammensetzen der einzelnen örtlichen Messungen mit überlappenden Bereichen im Raum vermessen.
Der Einsatz von LED-Beleuchtungen gestattet einen sehr kompakten, kostengünstigen Aufbau der Messeinrichtung. Weiterhin zeichnen sich die LED-Dioden durch Langlebigkeit und niedrigen Stromverbrauch aus. Eine automatisierte Ansteuerung der Beleuchtungsintensität durch den Steuerungsrechner ist einfach realisierbar und somit können die Messverfahren individuell auf das Reflexionsverhalten der Probe mit automatischen Einstellroutinen vorgenommen werden. Im interferometrischen Messmodus werden im Hellfeld selbst Proben aufgenommen mit einem Reflexionsgrad von etwa 0,05. Die Messung an solchen Proben im Hellfeld, wie beispielsweise an PKD-Werkstoffen, wird aufgrund der Lichtverstärkung im Interferenzbild möglich. Auch raue, reflektierende Proben mit steilen Flanken (Flankenwinkel > 37°) können aufgrund der Streuung und dieser Überlagerung dieser zurückreflektierten Strahlung im Interferenzbild vermessen werden.

Claims

Verfahren zum kombinierten flächenhaften Erfassen von Höhenwerten mittels Interferometrie (interferometrischer Messmodus) und zum Messen lateraler Geometrieelemente (lateraler Messmodus) mit Hilfe der Aufzeichnung durch eine Digitalkamera bei vertikaler Verschiebung entlang der optischen Achse mittels geeichtem Positioniersystem und digitaler Auswertung optischer Abbildungen eines Messobjektes, gekennzeichnet durch die Anwendung von zwei Long-Working-Distance- oder Super-Long-Working-Distance-Objektiven bei einer breitbandigen LED-Beleuchtung mit einer Bandbreite größer 150 nm, die im Bereich einer Wellenlänge von 150 nm bis 2500 nm liegt, die in einem bestimmten Bereich des Spektrums, d. h. im Ultraviolett-, nahen Ultraviolett-, sichtbarem Lichtband, nahen Infrarot- und Infrarot-Band, als Interferenzobjektive in Form eines Linnik-Interferometers eingesetzt werden, um phasenverschobene Interferenzerscheinungen innerhalb der separat erfassten schmalbandigen Farbkanäle (z. B. Rot, Grün, Blau) mit einer Bandbreite kleiner, gleich 100 nm bei konstanter Phasenlage untereinander zu erreichen, d. h. die Orte der Interferenzerscheinungen der einzelnen Farbkanäle liegen höhenversetzt um einen bestimmten farbkanalabhängigen Betrag, mit Hilfe einer digitalen Farbkamera zu erfassen und auswertbar zu machen, wobei die Umschaltung des Messmodus (interferometrisch/lateral) durch freie Anwahl von Beleuchtungen (LEDs) unterschiedlichen Emissionsspektrums oder/und durch Veränderung des Absorbtionsspektrums mittels Filter im Refernzstrahlengang erreicht werden, wozu je nach Messaufgabe und spektralem Band herkömmliche LWD- oder SLWD-Objektive ausgewählt werden, die mit einen hohen Arbeitsabstand von größer 20 mm bis gleich, größer 50 mm betrieben werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die technischen Kenndaten der jeweils verwendeten Objektive ein Arbeitsabstand zwischen Objektiv und Objekt im Bereich von 20 mm bis 50 mm erreicht wird und durch die geringe Tiefenschärfe im Bereich zwischen 0,6 μm bis 14 μm die Störungen von Geometrieelementen, wie Reflexionen, Streuungen von steilen Flanken oder rauen Konturen der Oberfläche mit einer Höhe außerhalb des Tiefenschärfebereichs unterdrückt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch die Verwendung von zwei oder mehreren LED-Dioden als Beleuchtung, die mittels Strahlenteiler in den Beleuchtungsstrahlengang projiziert werden, wobei die Art der Interferogramme bezüglich der Kohärenzlänge, beispielsweise bei roter oder grüner LED, ohne mechanischen Umbau oder motorische Stellhandlung, frei wählbar und innerhalb kürzester Zeit im Mikrosekundenbereich umschaltbar sind.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Lichtquellen für den Messmodus interferometrische Messung wie auch laterale Messung Leuchtdioden unterschiedlichen Spektrums verwendet werden, wobei auf die Messaufgabe optimierte Beleuchtungen bei freier Anwählbarkeit zur Verwendung kommen.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wahl unterschiedlicher Messmodi über die freie Anwahl der jeweiligen spektralen Charakteristik der Lichtquelle mittels einer ihr vorgeschalteten Langpass-, Kurzpass-, Bandpass- oder Bandsperrenfilterung im Beleuchtungsstrahlengang vorgenommen wird, wodurch Phasenschiebeverfahren und gezielte Anwahl der Beleuchtungscharakteristik erreicht werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wahl unterschiedlicher Messmodi durch die freie Anwahl der jeweiligen spektralen Charakteristik im Referenzstrahlengang durch manuelles oder motorisches Einfügen vorgeschalteter Langpass-, Kurzpass-, Bandpass- oder Bandsperrenfilterung vorgenommen wird oder durch optoelektrisch ansteuerbare Filter erfolgt und damit eine gezielte Anwahl der Beleuchtungscharakteristik und/oder -intensität entsprechend des Reflexionsgrades der Probe erreicht wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch vertikale Verschiebung entlang der optischen Achse des Objektstrahlengangs mittels geeichtem, weggeregeltem Feinpositioniersystem die eindeutige Zuordnung der absoluten vertikalen Bildaufnahmeposition zur Bildaufnahme definiert wird, wodurch die Höheninformation ohne eingehende Fehler und Störgrößen zur jeweiligen Messaufnahme gewährleistet ist.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch vertikale Verschiebung entlang der optischen Achse des Objektstrahlengangs mittels geeichter, hochgenauer und insbesondere geschwindigkeitsgeregelter Verfahrachse und einem parallel stattfindenden, auf diese Geschwindigkeit synchronisierten Bildaufnahme- und Auswerteverfahren die eindeutige Zuordnung der absoluten vertikalen Bildaufnahmeposition definiert und erreicht wird, womit die Höheninformation ohne eingehende Fehler und Störgrößen zur jeweiligen Messaufnahme gewährleistet ist.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Bildaufnahmeverfahren im kontinuierlichen, geschwindigkeitsgeregelten oder geschwindigkeitsgesteuerten Verfahrprozess entlang der optischen Achse des Objektstrahlengangs ohne Einfluss von Störungen durch Verzögerungen oder Beschleunigungen und dadurch bedingten Schwingungen durchgeführt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass durch translatorische und/oder rotatorische Achsen eine Änderung der Relativposition zwischen Messobjekt und Messeinrichtung vorgenommen wird und somit Oberflächen abgewickelt bzw. größere Objekte durch Zusammensetzen von sich überlappenden Einzelaufnahmen vermessen werden.