Entwicklung einer optischen Messmethode zur Analyse lateraler Mikrostrukturoberflächen

Horvath, Balazs GND

Abstract The study describes an optical, coherent, parametrical technique for non-contact inspection of sidewalls of microstructures. The method is based on coherent scattering and evaluation of objective speckle patterns. The vertical areas are illuminated by a convergent laser beam and the reflected characteristic intensity structures are detected directly over the incident beam in a space range as wide as possible. It is typical of the speckle phenomenon that its spatial frequency is inversely related to the diameter of the incident beam. Thus, the primary reflection (measurement signal) and the secondary scattered disturbance are to be separated by means of a spatial band-pass filter. Roughness parameters of vertical areas can be derived from speckle-contrast, cross and auto-correlation models. Experimentally determined characteristic curves of the speckle-contrast measurements follow the theoretical relation and its practical use can be extended up to an RMS roughness of 0.2-0.25 µm. A new spatial correlation evaluation is proposed, in which the correlation-coefficient is calculated by a minor shift of the probe. It is demonstrated that the incident angle variation or the probe shift exert influence upon the gradient of characteristic curves. Thus, the application range and the precision of the measurement can be varied and the process can be adjusted to certain requirements. By means of the measurement models, vertical surfaces of micro-form tools or microstructures can be analysed in the range of RMS=0..0.5 µm with a precision of 8-10 nm. For analysis of the reliability, a likelihood-method is derived which allows for both systematic and statistical errors in order to calculate the confidence intervals. In the last part of the study, a simulation software is developed on the basis of Kirchhoff's diffraction theory, by which the functions of speckle measurement methods can be modelized for optional illuminations, material properties and geometrical arrangements. Thus, a computative possibility is made available for the examination of technical feasibility of any speckle evaluations.

Ein neuartiges optisches Messverfahren wird vorgestellt, das für die Rauhigkeitsanalyse von vertikalen Mikrostrukturbereichen geeignet ist. Die senkrechten Oberflächen werden mit einem konvergenten Laserstrahl beleuchtet und die reflektierten objektiven Specklestrukturen über dem Einfallsstrahl in einem möglichst breiten Raumteil erfasst. Da die Ortsfrequenz des Specklemusters im ungekehrten Verhältnis zum Durchmesser des jeweiligen Einfallsstrahls steht, können das primäre Messsignal und die sekundären Störreflexionen mit Hilfe eines angepassten räumlichen Bandpass-Filters getrennt werden. Die Rauhigkeitsparameter der Strukturwände lassen sich aus den aufgestellten Speckle-Kontrast, Kreuz- und Auto-Korrelationsmodellen ableiten. Die experimental ermittelten Kennlinien der Speckle-Kontrast Methode verfolgen die theoretische Beziehung und ihre Anwendungsbereiche lassen sich bis zu Rq=0.2..0.25 µm erweitern. Neben den konventionellen angularen- und spektralen Kreuz-Korrelationstechniken wird ein neuartiges Ortskorrelationsverfahren vorgeschlagen, wobei der optische Rauheitsparameter durch geringfügige Verschiebung der Probe errechnet wird. Es wird nachgewiesen, dass die verwendeten Winkeldifferenzen oder Probenverschiebungen einen Einfluss auf die Kennliniengradienten ausüben. Dadurch können der Messbereich und die Genauigkeit der Vermessung verändert werden und der Messprozess lässt sich zu vordefinierten Bedingungen anpassen. Die vertikalen Oberflächen von Mikrostrukturen sind in einem Bereich von Rq=0..0,5 µm mit einer Genauigkeit von r=±8-10 nm zu analysieren. Zur Untersuchung der Messunsicherheit wird eine wahrscheinlichkeitstheoretische Methode abgeleitet, wobei zur Berechnung der Konfidenzradien sowohl die systematischen als auch die zufälligen Fehler berücksichtigt werden. Auf Basis der Kirchhoffschen Beugungstheorie wird ein Simulationsmodell entwickelt, mit dem die Funktionen von Speckle-Vermessungen für beliebige Beleuchtungen, Materialeigenschaften und geometrischen Anordnungen modelliert werden können. Dadurch besteht die Möglichkeit, praktisch nicht erfassbare Effekte und die technische Realisierbarkeit jeglicher Speckle-Auswertung zu untersuchen.

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Horvath, Balazs: Entwicklung einer optischen Messmethode zur Analyse lateraler Mikrostrukturoberflächen. 2007.

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