DE10027439B4

DE10027439B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Bewertung von Topographieparametern periodischer Oberflächenstrukturen

Info

Publication number: DE10027439B4
Application number: DE10027439A
Authority: DE
Inventors: Albrecht Dr.-Ing. Hertzsch; Horst Prof. Dr. habil. Truckenbrodt; Harry Dipl.-Ing. Würtenberger
Original assignee: VER ZUR FOERDERUNG VON INNOVAT; Verein Zur Forderung Von Innovationen Durch Forschung Entwicklung und Technologietransfer Ev (verein Innovent Ev)
Current assignee: VEREIN ZUR FOERDERUNG VON INNOVATIONEN DURCH FORSCH
Priority date: 2000-05-29
Filing date: 2000-05-29
Publication date: 2006-01-12
Anticipated expiration: 2020-05-30
Also published as: DE10027439A1

Abstract

Verfahren zur Bewertung von Topographieparametern periodischer Oberflächenstrukturen, bei dem die periodischen Oberflächenstrukturen mit parallel zu den Gitterriefen stehender Einfallsebene schräg beleuchtet und aus dem horizontalen Abstand der Beugungsordnungen die Wellenlänge der periodischen Oberflächenstruktur nach der Gittergleichung bestimmt werden,
dadurch gekennzeichnet, daß
– das einfallende Lichtbündel innerhalb der Einfallsebene divergiert und somit die periodische Oberflächenstruktur in einem Einfallswinkelbereich ΔΘ_i beleuchtet,
– das an der periodischen Oberflächenstruktur gebeugte Licht parallel zur Einfallsebene optoelektronisch integral erfasst wird,
– die auf die gemessene Gesamtstreuintensität normierte Intensität einer Beugungsordnung (vorzugsweise die 0-te Beugungsordnung) als Maß zur Bestimmung des peak-to-valley-Werts der periodischen Oberflächenstruktur dient,
– die Form des Beugungsmusters sowie die Anzahl der erkennbaren Beugungsordnungen die Symmetrieeigenschaft der Gitterform von der periodischen Struktur erfasst.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung und Vermessung periodischer Strukturen von technischen Oberflächen.
Eine Vielzahl von technischen Oberflächen besitzt einen periodischen Anteil der Rauheit.

Periodische Strukturen können direkt aus dem Bearbeitungsverfahren resultieren, wie z.B. die Bearbeitungsspuren beim Drehen oder Fräsen, oder bei einem stochastisch wirkenden Bearbeitungsverfahren durch Bearbeitungsfehler entstehen, z.B. beim Schleifen die Drallstrukturen. In all diesen Fällen wird die Oberflächenfunktion nachhaltig durch diese periodischen Strukturen beeinflusst. Gewöhnlich werden solche Strukturen durch Tastschnittmessungen erfasst und bewertet. Tastschnittverfahren erlauben es, mit hoher Präzision solche Strukturen aus einem Profildatensatz auszufiltern und zu vermessen. Jedoch können Tastschnittmessungen nur unter Laborbedingungen durchgeführt werden und beanspruchen eine hohe Messzeit. Gesucht wird ein Messverfahren, das mit geringem Messaufwand und hoher Stabilität gegenüber störenden Umwelteinflüssen schnell periodische Strukturen bestimmt und vermisst.

Beleuchtet man eine periodische Oberflächenstruktur mit Licht, so entsteht im allgemeinen ein charakteristisches Beugungsbild. Der Richtungswinkel des Beugungsmaximums m-ter Ordnung Θ_s,m ergibt sich aus der Gittergleichung für Reflexionsgitter:

wobei Θ_i der Einfallswinkel des Lichts, λ die Wellenlänge des Lichts und g die Gitterperiode der Oberflächenstruktur sind. Dieser Zusammenhang gilt, wenn die Einfallsebene des Lichts, aufgespannt durch den Richtungsvektor der einfallenden Welle und der Oberflächennormalen des Prüflings, senkrecht zu den Gitterriefen der periodischen Struktur steht. So werden z.B. periodische Oberflächenstrukturen anhand ihres Beugungsbildes bei senkrechtem Lichteinfall charakterisiert (US 5488476). Oftmals sind die periodischen Strukturen jedoch durch ein stochastisches Rauschen überlagert, das auch zu einer Verrauschung des Beugungsbildes bis hin zur Auslöschung der Beugungsmaxima führen kann.

Um die Beugungsmaxima innerhalb der Streulichtverteilung deutlicher hervorzuheben, kann ein großer Einfallswinkel Θ_i gewählt werden. Dadurch verkleinert man die effektive Gitterperiode der Oberflächenstruktur. Das Beugungsbild ist besser aufzulösen. Zusätzlich werden durch Abschattung die stochastischen Anteile der Oberfläche als Streuzentren nahezu ausgeblendet. (siehe WO 2000/022377 A1).

Die oben beschriebenen optischen Verfahren führen zu einer Visualisierung der Gitterperiode.

Die Lage der Beugungsmaxima in einer Auffangebene liefert einen eindeutigen Bezug zur Gitterperiode der Oberflächenstruktur nach der Gittergleichung. Um aus der eindimensionalen Beugungsverteilung den peak-to-valley-Wert der periodischen Struktur zu bestimmen, müssen jedoch die Intensitätswerte der Beugungsmaxima gemessen und diese dann mit Hilfe eines Streulichtmodells, das die Wechselwirkung von einfallendem Licht mit der Oberflächenstruktur beschreibt, ausgewertet werden. Dazu muss die Form des Gitters als bekannt vorausgesetzt werden (vgl. Fan, Y.Y. und Huyn, V.M. "Optics and Laser Technology", Vol.24 (1992), 145-150). Für die Auswertung des Beugungsbildes ist somit ein aufwendiger Lösungsalgorithmus notwendig, der auf einer hypothetischen Gitterform basiert. Weiterhin ergeben sich aus der technischen Umsetzung des Verfahrens Restriktionen an die Probengeometrie. Somit ist es nicht möglich, periodische Strukturen in Nuten, größeren Rillen, hartgedrehten Gewindegängen usw. zu untersuchen.

Ein weiteres streulichtoptisches Verfahren zur Ermittlung der Amplitude von ebenen periodischen Oberflächen stellen Fan und Huynh vor (vgl. Fan, Y.Y. und Huyn, V.M. "Precision Engineering" Vol. 16 (1994), No.3, 205-211). Bei nahezu streifendem Lichteinfall beleuchten sie die Prüflingsoberfläche so, dass die Einfallsebene des Lichts parallel zu den Gitterriefen der periodischen Struktur steht. Mehrfachstreuung und Abschattung des einfallenden Lichts durch die periodische Struktur werden somit minimiert.

Weiterhin wird gezeigt, dass in Abhängigkeit vom Einfallswinkel des Lichts die Intensität einer beliebigen Beugungsordnung oszilliert. Die Wellenlänge dieser Oszillation wird vorrangig durch den peak-to-valley-Wert der periodischen Struktur bestimmt (siehe 1). Mit diesem Verfahren ist es möglich, durch die Anzahl der Intensitätsmaxima oder Minima einer Beugungsordnung in einem vorgegebenen Einfallswinkelbereich die Amplitude einer periodischen Struktur zu bestimmen. Ein aufwendiger Auswertalgorithmus entfällt. Jedoch erfordert dieses Verfahren höheren Messaufwand. Der Einfallswinkel muss über einen großen Winkelbereich in kleinen Schrittweiten variiert und der Detektor jeweils genau nachgeführt werden. Das notwendige Messregime arbeitet somit langsam und stellt hohe Anforderungen an die Genauigkeit der Messapparatur. Für zylindrische Proben zeigt Huynh, dass aufgrund der Oberflächenkrümmung der Proben eine Einfallswinkelvariation des Messlichtbündels über die Oberfläche besteht, und somit die Intensitätsmodulation innerhalb einer Beugungsordnung direkt durch das streifenförmige Intensitätsmuster abgebildet wird. Anhand der Lage der Intensitätsmaxima und -minima lassen sich die peak-to-valley-Werte der periodischen Oberflächenstruktur ermitteln.

Jedoch ist dieses Verfahren unempfindlich für kleine peak-to-valley-Werte der periodischen Oberflächenstruktur, da die Oszillation der Intensität innerhalb einer Beugungsordnung umgekehrt proportional zum peak-to-valley-Wert der Oberflächenstruktur ist (vgl. 1).

Aufgabe der Erfindung ist es, für ein breites Probenspektrum Topographieparameter von periodischen Oberflächenstrukturen ohne Einschränkung des peak-to-valley-Wertes zu ermitteln.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird dadurch gelöst, dass eine Beleuchtungseinrichtung die zu untersuchende periodische Oberflächenstruktur parallel zur Ausbreitungsrichtung der Gitterriefen unter unterschiedlichen Einfallswinkeln gleichzeitig beleuchtet unabhängig von der Makrogeometrie der Oberfläche. Diese Beleuchtung in einem größeren Einfallswinkelbereich lässt sich beispielsweise mit einer kurzbrennweitige Zylinderlinse realisieren: Sie fokussiert das Lichtbündel ausschließlich senkrecht zur Achse der Zylinderlinse und kann somit eine starke Einfallswinkelvarianz der Lichtstrahlen innerhalb der Einfallsebene bewirken. Diese eindimensionale Fokussierung der Lichtstrahlen führt zunächst zu einer starken Konvergenz und anschließend einer starken Divergenz des Lichtbündels. Je nach Lage der Prüflingsoberfläche wird diese mit stark konvergierendem oder divergierendem Licht beleuchtet. In jedem Fall treffen Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Einfallswinkeln auf die Oberfläche auf und werden an der periodischen Oberflächenstruktur gestreut. Es entsteht ein linienförmiges Beugungsmuster, wobei jeweils die Intensität innerhalb einer Beugungsordnung in Abhängigkeit von dem peak-to-valley-Wert der periodischen Struktur oszilliert. Aufgrund dieser Oszillation der Intensität bzw. deren Abklingverhalten innerhalb einer Beugungsordnung in dem vorgegebenen Winkelbereich ist der integrale Intensitätswert eine Größe, die feinfühlig den peak-to-valley-Wert der periodischen Struktur charakterisiert, ohne die bisherige Notwendigkeit von lokalisierbaren Extremwerten innerhalb des Winkelausschnitts erfüllen zu müssen. Die Integration wird optisch realisiert durch eine fokussierte Abbildung des streifenförmigen Intensitätsmusters auf einen optoelektronischen Zeilenempfänger mit einer weiteren Zylinderlinse. Anhand der über einen Streuwinkelbereich integrierten Intensitätsverteilung, die senkrecht zur Einfallsebene gemessen wird, lassen sich mit bekannten mathematischen Methoden Streulichtkenngrößen ermitteln, die mit den Topographieparametern der periodischen Struktur korrelieren.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen:
1: Abhängigkeit der Beugungsintensitäten 0. und 1. Ordnung vom Einfallswinkel des Lichts für periodische sinusförmige Strukturen unterschiedlicher peak-to-valley-Werte pt und
2: Darstellung der Messanordnung zur Bewertung des Beugungsmusters von periodischen Strukturen.
Die starke Abhängigkeit der Beugungsintensitäten von dem Einfallswinkel des Lichts ist in 1 verdeutlicht. Bei streifendem Lichteinfall (Θ_i 90°) kommt es im Idealfall zu keiner Beugung und die Intensität in der 0-ten Beugungsordnung ist gleich groß wie die Intensität des einfallenden Lichts. Mit kleiner werdenden Einfallswinkel klingt die Intensität in der 0-ten Beugungsordnung ab während in der 1.-ten Beugungsordnung die Intensität steigt. Je nach Höhe des peak-to-valley-Wertes ist dieses Abklingen bzw. Ansteigen der Beugungsintensitäten in Abhängigkeit vom Einfallswinkel unterschiedlich stark ausgeprägt. Je größer der peak-to-valley-Wert ist, um so stärker erscheint die Abhängigkeit der Intensität vom Einfallswinkel. Es kommt zur Oszillation der Intensität innerhalb einer Beugungsordnung. Die Periodenlänge der abklingenden Oszillation steht in direkter Beziehung zum peak-to-valley-Wert der periodischen Oberflächenstruktur. Jedoch hebt ein begrenzter Einfallswinkelbereich den untersten messbaren Grenzwert des peak-to-valley-Wertes stark an. Für Einfallswinkelbereiche, die sich mit einfachen technischen Mitteln realisieren lassen (ΔΘ_i <= 20°), können Extremwerte der Oszillation erst ab ca. pt = 1 μm erfasst werden. Dem gegenüber erfasst der integrale Intensitätswert z.B. der 0-ten Beugungsordnung das Abklingverhalten der Kurve insgesamt. Je größer der integrale Intensitätswert ist, umso kleiner ist der peak-to-valley-Wert der periodischen Oberflächenstruktur. Diese erfindungsgemäße Bewertung des Beugungsmusters ermöglicht die Detektion von sehr kleinen peak-to-valley-Werten (pt<0.1 μm). Der prinzipielle Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung ist in 2 dargestellt. Eine Laserdiode 1 emittiert ein Lichtbündel 2. Die Optik 3 bildet die Lichtquelle 1 mit dem fokussierten Lichtbündel 4 bei Vorhandensein eines reflektierenden Prüflings in die Ebene ab, in der sich der optoelektronische Empfänger 11 befindet. Die kurzbrennweitige Zylinderlinse 5 fokussiert zusätzlich das Lichtbündel 7 stark in der Einfallsebene. Der Prüfling 6, dessen Oberfläche sich im Brennpunkt der Zylinderlinse 5 befindet, wird somit aus der Haupteinfallsrichtung des Lichts, vorgegeben durch die Lage der optischen Achse der Elemente 1, 3 und 5 zur Oberflächennormalen der Probe 6, aus einem Einfallswinkelbereich beleuchtet. Dabei ergibt sich der Einfallswinkelbereich ΔΘ_i in 1. Näherung aus dem Verhältnis Lichtbündeldurchmesser D am Ort der Zylinderlinse 5 und Brennweite der Zylinderlinse f wie folgt:
Die Gitterriefen der zu untersuchenden periodischen Struktur verlaufen in x-Richtung, so dass die Beleuchtung parallel zur Texturrichtung der Oberfläche erfolgt. Es entsteht ein zweidimensionales Beugungsmuster 7, dass in der Einfallsebene divergiert und senkrecht dazu weiter konvergiert. Durch die starke Einfallswinkelvarianz der Lichtstrahlen innerhalb der Einfallsebene erzeugt die periodische Struktur ein Beugungsmuster, das die Einfallswinkelabhängigkeit der Beugungsintensitäten widerspiegelt. Dabei bilden sich die einzelnen Beugungsordnungen in y-Richtung senkrecht zur Einfallsebene aus (konische Beugung), während die pt-abhängige Oszillation der Beugungsordnungen in z-Richtung zu beobachten ist. Mit Hilfe der Zylinderlinse 8 wird das streifenförmige Beugungsmuster auf einen optoelektronischen Empfänger 11 abgebildet. Somit lassen sich die Intensitätswerte der 0-ten Beugungsordnung 9 als auch höhere Beugungsordnungen 10 integral über den Streuwinkelbereich ΔΘ_s=ΔΘ_i messen. Der in y-Richtung ortsauflösend messende optoelektronische Empfänger 11 kann beispielsweise eine CCD-Zeile sein. Die Auswertung der vom optoelektronischen Empfänger 11 gewandelten Signale erfolgt z.B. mit einem Rechner, der die Topographieparameter der periodischen Struktur ermittelt. Dabei wird der auf die gemessene Gesamtstreuung normierte Intensitätswert der 0-ten Ordnung zur Bestimmung des peak-to-valley-Wertes der periodischen Oberflächenstruktur genutzt. Die Periodenlänge der Oberflächenstruktur ermittelt man aus dem Abstand der Beugungsordnungen zueinander. Das Symmetrieverhalten des Messsignals spiegelt das Symmetrieverhalten der Gitterform der periodischen Struktur wider. Und das Verhältnis der Intensitätssumme aller Beugungsordnungen zur Gesamtintensität der gemessenen Streulichtverteilung ermöglicht als Signal-Rausch-Verhältnis eine Aussage über statistische Störungen der periodischen Oberflächenstruktur, Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass mit einfachen Mitteln eine schnelle und eindeutige Bestimmung von mehreren Topographieparametern möglich ist. Konstruktive Restriktionen des Verfahrens bezogen auf die Ausdehnung der zu untersuchenden Oberflächen ergeben sich nicht. Somit ist es möglich, periodische Strukturen auch in Nuten, auf kleinen Absätzen usw. zu untersuchen.

Claims

Verfahren zur Bewertung von Topographieparametern periodischer Oberflächenstrukturen, bei dem die periodischen Oberflächenstrukturen mit parallel zu den Gitterriefen stehender Einfallsebene schräg beleuchtet und aus dem horizontalen Abstand der Beugungsordnungen die Wellenlänge der periodischen Oberflächenstruktur nach der Gittergleichung bestimmt werden, dadurch gekennzeichnet, daß – das einfallende Lichtbündel innerhalb der Einfallsebene divergiert und somit die periodische Oberflächenstruktur in einem Einfallswinkelbereich ΔΘ_i beleuchtet, – das an der periodischen Oberflächenstruktur gebeugte Licht parallel zur Einfallsebene optoelektronisch integral erfasst wird, – die auf die gemessene Gesamtstreuintensität normierte Intensität einer Beugungsordnung (vorzugsweise die 0-te Beugungsordnung) als Maß zur Bestimmung des peak-to-valley-Werts der periodischen Oberflächenstruktur dient, – die Form des Beugungsmusters sowie die Anzahl der erkennbaren Beugungsordnungen die Symmetrieeigenschaft der Gitterform von der periodischen Struktur erfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einfallswinkelbereich des auf die Probenoberfläche einfallenden Lichtbündels durch eine Zylinderlinse realisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einfallswinkelbereich des auf die Probenoberfläche einfallenden Lichtbündels durch einen Zylinderspiegel realisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einfallswinkelbereich des auf die Probenoberfläche einfallenden Lichtbündels durch die gekrümmte Oberfläche des Prüflings realisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einfallswinkelbereich des auf die Probenoberfläche einfallenden Lichtbündels durch Lichtwellenleiter realisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einfallswinkelbereich des auf die Probenoberfläche einfallenden Lichtbündels durch mehrere Lichtquellen realisiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren als Prüfverfahren in einem Handgerät verwandt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Beugungsbild durch eine Zylinderlinse parallel zur Einfallsebene integral abgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Beugungsbild durch einen Zylinderspiegel parallel zur Einfallsebene integral abgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Beugungsbild durch Lichtwellenleiter parallel zur Einfallsebene integral abgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Beugungsbild direkt mit einer Kamera oder einer CCD-Matrix detektiert wird und die integrale Bewertung rechentechnisch vollzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität in den einzelnen Beugungsordnungen mit einem ortsauflösenden fotoelektrischen Empfänger (CCD, Fotodiodenempfänger u.a.) gemessen wird.