Immer wenn es um die Prüfung der Oberflächenbeschaffenheit feinster Strukturen geht sind Weißlichtinterferometer in ihrem Element, in Fertigung und Entwicklung ebenso wie im Labor und in der Forschung. Das Verfahren funktioniert auf nahezu allen Materialien, arbeitet berührungslos und liefert Höhenauflösungen im Nanometerbereich. Dabei sind großflächige Messungen heute ebenso möglich wie detaillierte, mikroskopbasierte Untersuchungen mit hoher lateraler Auflösung, zum Beispiel zur Oberflächencharakterisierung von Wafern, optischen Komponenten oder in der Tribologie.
Moderne Weißlichtinterferometer nutzen die Interferenzeffekte, die bei der Überlagerung des vom Messobjekt reflektierten Lichts mit einem Referenzsignal auftreten. Das Messverfahren basiert auf dem Prinzip des Michelsoninterferometers, wobei der optische Aufbau (Abb. 1) eine Lichtquelle mit einer Kohärenzlänge im Mikrometerbereich enthält. An einem Strahlteiler wird der kollimierte (also gerade gerichtete beziehungsweise parallelisierte) Lichtstrahl in Mess- und Referenzstrahl aufgeteilt. Der Messstrahl trifft das Messobjekt, der Referenzstrahl einen Spiegel. Das vom Spiegel und Messobjekt jeweils zurückgeworfene Licht wird am Strahlteiler überlagert und auf eine Kamera abgebildet. Stimmt der optische Weg für einen Objektpunkt im Messarm mit dem Weg im Referenzarm überein, kommt es für alle Wellenlängen im Spektrum der Lichtquelle zu einer konstruktiven Interferenz. Das Kamerapixel des betreffenden Objektpunkts hat dann die maximale Intensität.
Abb. 1: Optischer Aufbau eines Weißlichtinterferometers (Quelle: Polytec)
Für Objektpunkte, die diese Bedingung nicht erfüllen, hat das zugeordnete Kamerapixel eine niedrigere Intensität. Geräte mit telezentrischem Aufbau erlauben damit eine simultane Vermessung mehrerer Punkte und erfassen so die Topographie großer Flächen in einem einzigen Messvorgang und innerhalb einer kurzen Messzeit. Wenn dagegen eine hohe laterale Auflösung gefordert ist, bieten sich mikroskopbasierte Systeme an, bei denen der optische Aufbau mitsamt dem Referenzarm in das Objektiv integriert ist.
Hohe laterale Auflösung über den gesamten Messbereich
Mit den Weißlichtinterferometern der TopMap-Familie bietet Polytec für unterschiedliche Anwendungsfelder bereits seit etlichen Jahren passende Messsysteme an (Abb. 2), die sich in vielen Applikationen bewährt haben. Typische Anwendungen für Scanning-Interferometer (Abb. 3) sind Ebenheitsmessungen an Dichtflächen, Wölbungen von Membranen, das Erkennen von Platinenverzug oder die Detektion von Formabweichungen an Pumpen sowie Hochdruckkomponenten.
Abb. 2: Für jede Oberfläche die passende Messtechnik: die bewährte TopMap-Familie (Quelle: Polytec)
Abb. 3: Typische Anwendungsbeispiele für Scanning-Interferometer: Ebenheitsmessungen an Dichtflächen (a), Wölbungen von Membranen (b), Erkennen von Platinenverzug (c), Detektion von Formabweichungen an Pumpen (d) sowie Hochdruckkomponenten (e) (Quelle: Polytec)
In letzter Zeit hat die Nachfrage nach Messungen von Strukturdetails, beispielsweise Rauheit, sowie nach motorisiertem Zubehör wie Optiken und Verfahr- beziehungsweise Kipptischen, deutlich zugenommen. Deshalb wurde die TopMap-Familie jetzt um weitere mikroskopbasierte Ausführungen erweitert (Abb. 4), die das vorhandene Mikroskopsystem TopMap µ.Lab ablösen.
Abb. 4: Neue Mikroskopsysteme mit hoher lateraler Auflösung im gesamten Messbereich bis 100 mm (Quelle: Polytec)
Die neuen Gerätevarianten bieten eine deutlich höhere Anzahl der Messpunkte in X- und Y-Richtung und das dank spezieller Scanning-Technologie (Continous Scanning Technology) über den gesamten vertikalen Messbereich von 100 mm, statt nur über 250 µm. Damit sind nun noch detailliertere Messungen möglich, beispielsweise um Mikrostrukturen auf Waferoberflächen zu detektieren, die Mikrostrukturen bei Druckverfahren zu analysieren oder um Oberflächenrauheiten von optischen Komponenten zu bestimmen (Abb. 5). Die zusätzlich zur Höhenmessung gelieferte Farbinformation (RGB) vom Messobjekt vereinfacht dabei die Fehlerzuordnung und Dokumentation (Abb. 6). Werden die Weißlichtinterferometer in rauer Fertigungsumgebung eingesetzt, kompensiert die optionale EC-Technologie (Enviromental Compensation Technologie) Umwelteinflüsse automatisch.
Abb. 5: Detaillierte Messungen mit hoher lateraler Auflösung, z. B. um Mikrostrukturen auf Waferoberflächen zu detektieren (a), die Mikrostrukturen bei Druckverfahren zu analysieren (b) oder um Oberflächenrauheiten optischer Komponenten zu bestimmen (c) (Quelle: Polytec)
Abb. 6: Die zusätzlich zur Höhenmessung gelieferte Farbinformation vom Messobjekt vereinfacht die Fehlerzuordnung und Dokumentation (Quelle: Polytec)
Zwei Varianten, viele Möglichkeiten
Die beiden Mikroskopsysteme decken die in der Praxis häufig recht unterschiedlichen Anwenderwünsche ab. So ist die Standardversion TopMap Micro.View® (Abb. 4, links) als Einstiegsmodell konzipiert, das sich als Stand-alone-Lösung schnell und unkompliziert überall einsetzen lässt, zum Beispiel in kleineren Prüflabors oder Forschungsinstituten. Objektivrevolver und X/Y-Verfahrtisch lassen sich manuell positionieren, einen kleinen motorisierten Verfahrtisch gibt es als Option. Die Z-Achse lässt sich immer motorisiert verfahren.
Wer eine größere Flexibilität und Leistungsfähigkeit braucht, ist mit dem TopMap Micro.View+ (Abb. 4, rechts) gut beraten. Die Advanced-Version bietet motorisierte X-, Y- und Z-Achsen mit einem Verfahrbereich von 200 x 200 x 100 mm3 sowie einen ebenfalls motorisierten Objektiv-Revolver und eine motorisierte Kippplattform (Neigetisch). Prüfabläufe können dadurch automatisiert nach bestimmtem Rezepten ablaufen. Darüber hinaus ergeben sich konstruktive Variationsmöglichkeiten. So kann die Probenhöhe bis auf 370 mm gemessen werden und bei Bedarf lässt sich der Messkopf auch separat direkt in der Fertigungslinie integrieren. Dank Autofokus-Funktion und automatischem Fokus-Tracker hat das Messsystem Objekt oder Probe immer im Blick. Der Fokus-Tracker funktioniert so ähnlich wie eine Gesichtserkennung, bei variierenden Objektpositionen wird der Fokus automatisch wiedergefunden.
Hardware und Software, alles aus einer Hand
Dank vieler Exportmöglichkeiten können die 3D-Messdaten der Weißlichtinterferometer mit jeder geeigneten Auswertesoftware bearbeitet werden. Besonders einfach und praxisgerecht wird der Umgang allerdings mit der speziell für diese Polytec-Topografie-Messsysteme entwickelten TMS Software, die zahlreiche Möglichkeiten bietet, um die Messergebnisse zügig und ISO-konform auszuwerten. Messrezepte beispielsweise erleichtern Routineaufgaben. Hier lassen sich die Einstellungen für die Datenaufnahme (z. B. Messposition, Beleuchtungseinstellungen, Kameraparameter) zusammen mit Auswerteparametern (z. B. Nachbearbeitungsschritte, Visualisierungs- oder Exportmöglichkeiten) für spezielle Messaufgaben definieren und abspeichern. Somit werden aus komplexen Oberflächenanalysen einfache Ein-Klick-Lösungen. Das spart besonders im Produktionsumfeld Zeit, vermeidet Bedienfehler und auch Nicht-Fachleute können mit den Messsystemen arbeiten.
Autoren:
Dr.-Ing. Özgür Tan, strategisches Produktmarketing optische Messsysteme bei Polytec, und Ellen-Christine Reiff, M.A., Redaktionsbüro Stutensee
