19.02.2019

3D-Flächenmessung mit lateralen Auflösung im Sub-Mikrometerbereich

Flächensensor für Konfokalmikroskopie

Das im Confocal Microscope (CFM) eingesetzte konfokale Messprinzip ist ein berührungsloses Messverfahren für die sehr schnelle und hochaufgelöste 3D-Messung von kleinen Strukturen. Besonders interessant für Forschung und Produktion bei MEMS, Mikrolinsen, Defekten und vielen mehr. Außer zur Untersuchung von Mikrostrukturen wird der Sensor für Rauheitsmessungen und zur Erfassung und Auswertung der 3D-Topographie eingesetzt. Dank des flächenhaft arbeitenden konfokalen Messverfahrens liegen aussagekräftige Ergebnisse in wenigen Sekunden vor.

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Vor mehr als 60 Jahren patentiert

1957 meldete Marvin Minsky ein Patent an, in dem erstmalig das grundlegende Prinzip der 3D-Konfokalmikroskopie beschrieben wird. Aber es dauerte noch weitere 30 Jahre, über die Entwicklung leistungsstärkerer Lichtquellen, bis letztlich die Konfokalmikroskopie zu einer etablierten Mikroskopietechnik wurde.

Das Messprinzip

Das Licht einer Hochleistungs-LED wird optisch in einen Punkt in der Fokusebene des Objektivs auf oder in dem Messobjekt abgebildet. Das von diesem beleuchteten Objektpunkt reflektierte Licht wird über die gleiche Optik und einen Strahlteiler auf eine Lochblende vor dem Detektor abge­bildet. Der Detektionsfokus liegt also in der zur Fokalebene des Objektivs konjugierten Ebene, beide Foki liegen also übereinander (konfokal). Licht, das nicht aus der Fokalebene kommt, wird unterdrückt, weil es nicht auf die Lochblende fokussiert wird, sondern dort als Scheibchen erscheint, so dass es fast kein Signal auf dem Detektor erzeugt. Auch Streulicht wird durch diese Lochblende fast komplett geblockt. Das erhöht deutlich den Kontrast und verbessert somit die Auflösung.

Flächeninfo dank Nipkow

Die Höheninformation wird nun durch die Messung vieler solcher Ebenen erlangt. Mit der beschriebenen Punkt-zu-Punkt-zu-Punkt-Abbildung erhält der Anwender lediglich Licht- und Messdaten von einem Punkt der Probenoberfläche. Um Flächeninformationen zu erhalten, kann die Probe in der x,y-Ebene abgerastert werden. Dazu wird eine rotierende Lochpunktscheibe eingesetzt. Diese als Nipkow-Scheibe bezeichnete Lochblende verteilt das Licht zum Einen mit hoher Geschwindigkeit zeilenweise auf der Probenoberfläche und dient zum Anderen als Detektor-Lochblende, indem sie das Licht außerhalb der Fokusebene und auftretendes Streulicht vor dem Detektor blockiert.

Das Konfokalmikroskop

Auch im Konfokalmikroskop (z.B. im MicroSpy® Topo) von FRT kommt eine rotierende Lochpunktscheibe zum Einsatz. Die Vorteile des Mikroskops, welches wahlweise als Messgerät oder als integrierbarer Sensor erhältlich ist, liegen insbesondere in den kurzen Messzeiten und dem Geschwindigkeitsvorteil gegenüber scannenden Verfahren mit Punktsensoren auf der Hand. Eingesetzt wird die Technologie bei Rauheits-, Profil- und Stufenhöhenmessungen an rauen, reflektierenden und transparenten Oberflächen mit sehr hohen vertikalen Auflösungen von bis zu 1 Nanometer.

Der neue CFM-Schichtodus: Reflexionen verschiedener Oberflächen jetzt filterbar

Transparente Schichten stellen eine tägliche Herausforderung im Bereich der Topographiemessung dar. Um das gewünschte Ergebnis zu erzielen, muss darauf geachtet werden, dass die Topographiedaten der ”richtigen“ Oberfläche aufgenommen werden. Der neue ”Schichtmodus“, der für das CFM verfügbar ist, bietet die perfekte Lösung für viele verschiedene Anwendungen gerade in diesem schwierigen Bereich. Das spezielle Software-Modul ist in der Lage, die von den verschiedenen Oberflächen kommenden Reflexionen zu unterscheiden. Durch die Verwendung einer grafischen Oberfläche erhält der Anwender die Möglichkeit, die Signale der jeweiligen Oberflächen zu sortieren und zu filtern. So kann er die Ausgabe der relevanten Daten definieren. Diese Einstellungen können auch für vorhandene Messdaten angepasst werden, d.h. eine Nachmessung ist nicht erforderlich. Der ”Schichtmodus“ kann z.B. verwendet werden, um die Topographie einer schlecht reflektierenden transparenten Schicht zu messen, während das Signal des darunter liegenden hochreflektierenden Substrats ignoriert wird. Ein weiterer Vorteil: bei Materialien mit bekanntem Brechungsindex kann der Sensor auch zur direkten Bestimmung der Dicke einer transparenten Schicht verwendet werden.

Die Größe des in einem Messdurchgang erfassbaren Flächenausschnitts, wird über das eingesetzte Objektiv bestimmt. Hier stehen verschiedene Ausführungen von 10x bis 150x zur Auswahl. Mittels der Stitching-Funktion kann durch Aneinanderfügen benachbarter Flächenmessungen das Messfeld zusätzlich vergrößert werden.

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