DE102006060584B4

DE102006060584B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung von Verschiebungen und/oder einer Geometrie von Mikrostrukturen

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Publication number: DE102006060584B4
Application number: DE200610060584
Authority: DE
Inventors: Zhi Dr. Li; Konrad Dr. Herrmann
Original assignee: Bundesrepublik Deutschland; Bundesministerium fuer Wirtschaft und Technologie
Current assignee: Bundesrepublik Deutschland; Bundesministerium fuer Wirtschaft und Technologie
Priority date: 2006-12-19
Filing date: 2006-12-19
Publication date: 2008-10-30
Anticipated expiration: 2026-12-20
Also published as: DE102006060584A1

Abstract

Verfahren zur Messung von Verschiebungen und/oder einer Geometrie von Mikrostrukturen, bei dem
(a) durch eine Eingangsapertur (P1) einfallendes Licht einer Wellenlänge (λ) mit einer ersten Linse (L₁), die eine Brennweite (f) hat, auf eine Mikrostruktur fokussiert wird,
(b) das von der Struktur kommende Licht erfasst wird und
(c) eine laterale Relativbewegung zwischen der zu prüfenden Struktur und einer detektierenden Apertur (P₃) erzeugt wird, so dass die Intensität (I) des reflektierten Lichtes variiert wird, um eine Beziehung (I(u)) zwischen der lateralen Relativbewegung (u) und der Intensitätsantwort (I) zu ermitteln,
dadurch gekennzeichnet, dass
(d) die Position (u) der Mikrostruktur aus einer linearen Region (12, 13) innerhalb der Beziehung (I(u)) zwischen der lateralen Verschiebung (u) der zu prüfenden Struktur und der Intensitätsantwort (I) ermittelt wird und
(e) die detektierende Apertur eine Abmessung (b) hat, die kleiner ist als

wobei f die Brennweite, a eine Abmessung der Eingangsapertur...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von Verschiebungen und/oder einer Geometrie von Mikrostrukturen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Messung von Verschiebungen und/oder einer Geometrie von Mikrostrukturen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 7.
Mikroelektromechanische Systeme, die auch verkürzt als MEMS bezeichnet werden, ermöglichen, aufgehängte Mikrostrukturen für eine lineare und angulare Bewegung präzise anzutreiben. Einsatzgebiete für MEMS-Aktuatoren und -Sensoren sind heutzutage beispielsweise die Rastersondenmikroskopie, die Methodologie zur Gewinnung der mechanischen Eigenschaften von mikroskaligen Werkstoffen, die zellulare Kraftprüfung, die Mikro- und Nanopositioniersysteme etc. Hierbei werden verschiedene Aktuatormechanismen, einschließlich thermischer, elektromagnetischer, piezo elektrischer und elektrostatischer Aktuatoren oder Bimorphaktuatoren erfolgreich in MEMS-basierten Geräten angewendet.
Als Nachteil hat sich allerdings erwiesen, dass die meisten der kürzlich entwickelten Aktuatoren grundlegender Spezifikationen ermangeln. Dies betrifft beispielsweise die Positionsauflösung, die Wiederholbarkeit und/oder die Genauigkeit der Bewegungen. Aus diesem Grunde ist es immer eines der wesentlichen Themen bei der Anwendung der MEMS-Aktuatoren und -Sensoren, die Leistungsfähigkeit derselben zu bewerten und/oder weiter zu verbessern.
Einer der Hauptgründe, die hierbei verhindern, dass die MEMS-Aktuatoren und -Sensoren präzise und einfach gemessen und kalibriert werden können, besteht darin, dass die sich bewegenden Komponenten der meisten MEMS-Aktuatoren und Sensoren im Allgemeinen in entsprechende Trägersubstrate eingebettet sind. Deshalb kann die ebene Bewegung dieser Mikrostrukturen nicht mit traditionellen Verfahren, beispielsweise der Laserinterferometrie, überwacht werden.
Obwohl die ebene Verschiebung der MEMS-Aktuatoren und -Sensoren, die auf einer Konfiguration eines elektrostatischen Kammantriebs beruhen, unter Verwendung der kapazitiven Sensortechnik erhalten werden kann, müssen die Messergebnisse dennoch mit einer hohen Genauigkeit kalibriert werden. Gegenwärtig ist die Transmissions-/Rasterelektronenmikroskopie (TEM/SEM) ein übliches Inspektionswerkzeug für derartige Mikrostrukturen. Beispielsweise wird gemäß dem Artikel "A review of MEMS-based microscale and nanoscale tensile and bending testing" von M. A. Haque und M. T. Saif, Exp. Mech. 43, 248–255, 2003, die Transmissionselektronenmikroskopie für eine in-situ-Messung der ebenen Verschiebung eines MEMS-Zugprüfgerätes und der entsprechenden Verformung des freistehenden Filmes eingesetzt.
Es ist bekannt, optische interferometrische Profilometer zur Überwachung der ebenen Verschiebung in MEMS-Vorrichtungen zu verwenden. In einigen Fällen können außerhalb der Ebene wirkende Vibrometer eine einfache Alternative dazu darstellen. Die Flexibilität von Transmissionselektronenmikrosko pie/Rasterelektronenmikroskopie und die laterale Auflösung dieser optischen Profilometer und Geräte sind jedoch im Allgemeinen unbefriedigend und nicht ausreichend zur Vermessung der Mikrostrukturen.
Aus der DE 24 16 708 C3 ist ein Verfahren zur Bestimmung von Verschiebungen einer punktförmigen Fläche auf der Oberfläche eines festen Körpers bekannt. Bei diesem Verfahren wird ein retroreflektierendes Objekt auf die Oberfläche geklebt und durch eine schlitzförmige Blende beobachtet. Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass es für Mikrostrukturen nicht anwendbar ist, weil dann die Beugung der dominante Effekt wird, der das Messergebnis verfälscht.
Aus der EP 1 229 350 A2 ist ein Verfahren zum 3-dimenionalen Vermessen von Objekten bekannt. Nachteilig ist auch an diesem Verfahren, dass es nur für makroskopische Objekte einsetzbar ist, da Beugungseffekte bei zu kleinen Aperturen zu Messartefakten führt.
Aus der US 4 629 878 ist eine Vorrichtung zum optischen kontrollieren eines Werkzeugs bekannt. Auch ein Vermessen eines Objekts mit Hilfe dieser Vorrichtung ist nur dann möglich, wenn die Gesetze der klassischen Optik gelten, da Beugungseffekte das Messergebnis bei kleinen Abmessungen verfälschen würden.
Aus der DE 10 2006 013 773 A1 ist ein Verfahren zur berührungslosen Schwingungsmessung an einer Probe unter Verwendung eines Mikroskopsystems bekannt, bei dem ein Laserstrahl auf das zu vermessende Objekt fokussiert wird. Von dem Objekt reflektiertes Licht wird von einem ortsauflösenden Detektor erfasst. Auch dieses Verfahren eignet sich nicht für höchstauflösende Messungen, da in dem Aufbau vorhandene Spaltblenden nicht so weit geschlossen werden können, da es anderenfalls zu störenden Beugungseffekten kommt.
Aus der DE 10 2005 025 535 A1 ist ein Verfahren zur Verbesserung der Messgenauigkeit bei der Bestimmung von Strukturdaten einer CD bekannt. Dem liegt die Aufgabe zugrunde, den Bereich zu vergrößern, in dem beim Auslesen einer CD ein von den Struktureigenschaften der CD linear abhängiges Signal erhalten wird. Dieses Verfahren ist nicht geeignet, um Mikrostrukturen mit sehr hoher Auflösung zu vermessen.
Aus der DE 147 270 A1 ist ein Verfahren zur optischen Vermessung einer Oberfläche eines Objektes bekannt. Auch dieses Verfahren arbeitet mit Lichtstrahlen, die einen so großen Durchmesser haben, dass Beugungseffekte vernachlässigt werden können. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass keine extrem hohen Genauigkeiten erreicht werden können.
Aus der DE 25 54 086 A1 ist ein Verfahren zur Analyse und/oder zur Ortsbestimmung von Kanten bekannt, das ebenfalls jenseits von Beugungseffekten arbeitet, so dass nicht die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren angestrebten Ungenauigkeiten erreicht werden können.
Aus der DE 1 962 515 ist eine optische Messsonde bekannt, mit der das Profil einer Oberfläche kontaktfrei gemessen werden kann. Auch dieses Verfahren arbeitet jenseits der Beugungsgrenze, so dass die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erreichbaren extrem hohen Genauigkeiten nicht erreicht werden können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Mikrostrukturen, insbesondere MEMS-Aktuatoren und -sensoren mit beweglichen Komponenten mit einer besonders hohen Messgenauigkeit vermessen zu können.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 7 gelöst.
Bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine laterale Relativbewegung zwischen der zu prüfenden Struktur, einem fokussierten Lichtfleck und einer detektierenden Apertur erzeugt wird, so dass die Intensität des reflektierten Lichtes variieren wird, um eine Beziehung zwischen der lateralen Relativbewegung und der Intensitätsantwort zu ermitteln.
Eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art ist erfindungsgemäß eingerichtet, dass eine laterale Relativbewegung zwischen der zu prüfenden Struktur, einem fokussierten Lichtfleck und der detektierenden Apertur erzeugt wird, so dass die Intensität des reflektierten Lichtes variiert, um eine Beziehung zwischen der lateralen Relativbewegung und der Intensitätsantwort zu ermitteln.
Die ermittelte Beziehung zwischen der lateralen Relativbewegung und der Intensitätsantwort kann nun für die Messung herangezogen werden, in dem durch die Untersuchung einer monotonen oder linearen Region innerhalb der Beziehung zwischen der lateralen Verschiebung der zu prüfenden Struktur u und der Intensitätsantwort I(u), um das Modell u = I(u) aufzustellen, der Lage der Peakintensität in der Kurve I(u) und der Sättigung und ihrer Variation in der Kurve I(u) dann die laterale Verschiebung, die Position und die (eindimensionale) Größe der Mikrostruktur be stimmt werden können. Auf diese Weise wird ein berührungsloses Verfahren zur Messung der ebenen Struktur und der Verschiebung, insbesondere für bewegliche Mikrostrukturen, die in MEMS-Vorrichtungen eingebettet sind und die nicht mit herkömmlichen Verfahren angetastet werden können, ermöglicht. Das erfindungsgemäße in-situ-Messverfahren weist eine hohe Auflösung und Genauigkeit auf und ist unempfindlich gegenüber dem dynamischen Verhalten der zu prüfenden Struktur. Verschiedene Konfigurationen, um sich an verschiedene zu prüfende Strukturen anzupassen, zeigen ein flexibles und adaptives Verfahren, das einen Kompromiss zwischen den Anforderungen an die Messauflösung/-Genauigkeit und die Größenordnung des Messbereichs herstellen kann.
Bevorzugt wird zum Fokussieren des einfallenden Lichtes eine erste Linse verwendet, in deren vorderen Fokusebene eine Eingangsapertur und in deren hinteren Fokusebene die zu prüfenden Struktur angeordnet werden, durch die eine entsprechende Objektapertur gebildet wird. Die Bezeichnungen vordere bzw. hintere Ebene in Bezug auf die Linse sind in Richtung des Strahlendurchganges des einfallenden Lichtes zu verstehen.
Weiterhin bevorzugt ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine Linsenanordnung mit einer zweiten Linse, in deren vorderen Fokusebene die zu prüfende Struktur angeordnet wird, und mit einer dritten Linse vorgesehen wird, in deren hinteren Fokusebene die detektierende Apertur angeordnet wird.
Vorteilhafterweise ist ein Fotodetektor zum Erfassen der Lichtintensität hinter der detektierenden Apertur angeordnet. Der Fotodetektor kann hierbei ein beliebiger optischer Detektor sein, beispielsweise ein Fotodiode, eine Lawinendiode, ein Fotoelektronenvervielfacher, ein CCD-Element oder ein Fluoreszenzschirm sein.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass bei der lateralen Relativbewegung die zu prüfende Struktur und der fokussierte Lichtfleck aneinander vorbeigeführt werden, wobei die Abmessungen der detektierenden Apertur vorherbestimmt oder justierbar sind. Durch Analyse der ermit telten Intensitätsantwort kann die Geometrie bzw. die Breite der zu prüfenden Struktur bestimmt werden.
Bei einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass bei der lateralen Relativbewegung die zu prüfende Struktur und der fokussierte Lichtfleck stets nur teilweise überlappend angeordnet werden und die von dem Fotodetektor erfasste Variation der Intensität stets innerhalb einer der monotonen Regionen der gesamten Intensitätsantwort begrenzt ist. Auf diese Weise können laterale Verschiebungen der zu prüfenden Struktur, beispielsweise die Bewegungen eines mikroelektromechanischen Kammantriebsaktuators, bestimmt werden.
Zur Erzeugung der Relativbewegung ist bei einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Scanvorrichtung derart vorgesehen, um die Position des fokussierten Lichtes auf der Struktur lateral zu variieren.
Vorteilhafterweise kann die Scanvorrichtung ein piezoelektrischer oder elektromagnetischer Verschiebetisch, ein akusto- oder elektrooptischer Modulator oder ein optischer Rotations- oder Schwingungsscanner sein.
In vorteilhafter Weise kann die Relativbewegung durch eine Eigenbewegung der zu prüfenden Struktur erzeugt werden. Nachdem durch eine scannende Relativbewegung die Beziehung zwischen dieser und der detektierenden Apertur ermittelt wurde, kann eine Eigenbewegung der Struktur, beispielsweise von einem mikroelektromechanischen Kammantriebsaktuator, mit einer hohen Genauigkeit und Präzision überprüft werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der detaillierten Beschreibung von verschiedenen Ausführungsformen unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert, in denen die:
1 – eine schematische Skizze des Prinzips der vorliegenden Erfindung zeigt,
2 – eine Skizze eines Mikrostrukturbeispiels darstellt,
3 – das Beispiel aus 2 etwas vereinfacht zeigt,
4 – ein erstes Anwendungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren zeigt,
5 – eine geometrische Erläuterung der ebenen Beziehung zwischen Lagen und Abmessungen der beiden Aperturen und dem fokussierten Lichtfleck in der rückseitigen Fokusebene des Objektivs L₁ liefert,
6 – die Intensitätsantwort für das Anwendungsbeispiel aus 5 wiedergibt,
7 – die Intensitätsantwort für ein weiteres Anwendungsbeispiel wiedergibt,
8 – eine Mikrostruktur mit dem zugehörigen Intensitätsverlauf darstellt, und
9 – ein Aufbaubeispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung darstellt.
1 zeigt eine Prinzipskizze eines Strahlenganges durch einen optischen Aufbau zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, welches auch mit lateraler konfokaler Mikroskopie bezeichnet werden kann. Einfallendes Licht 1 aus einer geeigneten Lichtquelle (nicht dargestellt) fällt auf eine Eingangsapertur P₁, die das einfallende Licht 1 auf einen Lichtstrahl 2 begrenzt. Das von der Lichtquelle ausgesen dete Licht 1 kann eine beliebige Art von elektromagnetischen Wellen sein, die von Elektronenstrahlen bis zum fernen infraroten Licht variieren können.
Im weiteren Verlauf des Strahlenganges durchläuft der Lichtstrahl 2 eine erste Linse L₁, beispielsweise eine Fouriertransformationslinse bzw. FT-Linse, die auch als Mikroskopobjektiv wirkt. In der in dem Strahlengang hinter der Linse L₁ liegenden Fokusebene ist die zu prüfende Struktur angeordnet, die eine der zu prüfenden Struktur entsprechende Objektapertur P₂ darstellt. Die Linse L₁ erfüllt als Mikroskopobjektiv die Funktion, das einfallende Licht auf einen Punkt auf der zu prüfenden Struktur bzw. in der Objektapertur P₂ zu fokussieren.
Im weiteren Verlauf des Strahlenganges des Lichtstrahles 2 ist eine Linsenanordnung mit einer zweiten Linse L₂ und einer dritten L₃ vorgesehen, die ebenfalls FT-Linsen sein können. Diese Linsenanordnung erfüllt die Funktion, den von der zu prüfenden Struktur bzw. der Objektapertur P₂ kommenden Lichtstrahl 2 zu sammeln. In der hinteren Fokusebene der dritten Linse L₃ ist eine detektierende Apertur P₃ angeordnet. Direkt hinter der detektierenden Apertur P₃ befindet sich ein Fotodetektor 3, der dazu genutzt wird, um die bei einer lateralen Relativbewegung zwischen der detektierenden Apertur P₃ und der Objektapertur P₂ bzw. der zu prüfenden Struktur auftretenden Intensitätsänderungen des Lichtstrahles 2 als Intensitätsantwort zu erfassen.
Um die laterale konfokale Intensitätsantwort einer realen konfokalen Mikroskopie auf die zu prüfende Struktur zu erhalten, können verschiedene Scanverfahren angewendet werden. Eine Scanvorrichtung variiert die Position des fokussierten Lichtstrahlenbündels lateral bzw. seitlich verschoben auf der zu prüfenden Struktur. Als Scanvorrichtung können beispielsweise piezoelektrische oder elektromagnetische Verschiebetische verwendet werden. Um die Position des auf dem zu prüfenden Objekt fokussierten Lichtstrahlenbündels zu variieren, kann die Scanvorrichtung auch als akusto- oder elektrooptischer Modulator ausgeführt werden. Weiterhin können als Scanvorrichtungen optische Rotations- oder Schwingungsscanner eingesetzt werden. Als Lichtreflexionselemente in diesen optischen Scannern eignen sich auch Re flexionsspiegel, Brechungslinsen, optische Gitter und/oder Brechungsvorrichtungen außer den optischen Gittern.
Die detektierende Apertur P₃ kann durch eine Lochblende, einen eindimensionalen Schlitz oder durch zweidimensionale Löcher beliebiger Form mit festen und begrenzten Abmessungen realisiert werden. Es ist aber auch möglich, dass die detektierende Apertur P₃ durch zweidimensionale Löcher beliebiger Form mit begrenzten, aber justierbaren Abmessungen realisiert wird. Der Fotodetektor 3 kann ein beliebiger optischer Detektor, wie zum Beispiel eine Fotodiode, eine Lawinenfotodiode, ein Fotoelektronenvervielfacher, ein CCD-Element oder ein Fluoreszenzschirm sein.
Das Mikroskopobjektiv bzw. die Linse L₁, die das einfallende Licht auf ihre Fokusebene fokussiert, kann ein gewöhnliches optisches Mikroskopobjektiv sein. Es kann aber auch durch mikrooptische Komponenten, wie z. B. Mikrolinsen- und Mikrospiegelanordnungen realisiert werden, die einfallende Lichtstrahlenbündel ebenfalls in ihrem Fokuspunkt fokussieren.
Die zu prüfenden Strukturen können sowohl selbsttragende Mikrostrukturen als auch Mikrostrukturen auf einem Substrat sein. In der 2 ist ein Beispiel eines als Kammaktuator 5 ausgebildeten MEMS gezeigt. Der Kammaktuator 5 weist feste Finger 6 und zwischen den festen Fingern 6 angeordnete bewegliche Finger 7 auf. Der Aufbau des Kammaktuators 5 ist derart vorgesehen, dass die festen Finger 6 und die beweglichen Finger 7 zueinander parallel jedoch in entgegen gesetzte Richtungen weisend ausgerichtet sind. Die beweglichen Finger 7 sind an einer Stützfeder 8 positioniert. Ferner können Verbindungsstäbe 9 im Rückgrat oder Hauptschaft des MEMS, die im Allgemeinen beweglich und von den Stützferdern 8 unterstützt sind, auch die zu prüfenden Strukturen sein. Weiterhin können die Verbindungsstäbe 9 zu dem Substrat 10 bzw. einer gebondeten Fläche vorgesehen sein.
3 gibt nochmals vereinfacht die aus der 2 bekannte Struktur mit festen Fingern 6' und beweglichen Fingern 7' wieder. Aus der 3 ist deutlich zu erkennen, dass die MEMS-Struktur ein hohes Aspektverhältnis aufweist, d. h. h/b und h/g können 10 oder größer sein.
An der zu prüfenden Struktur können beliebige Komponenten, wie bewegliche und feste Finger, stützende Träger und Verbindungsstäbe vorgesehen sein. Weiterhin können die zu prüfenden Strukturen auch Partikel oder Muster auf Substraten sein. Da die meisten MEMS-Aktuatoren und -Sensoren sich durch ein hohes Aspektverhältnis auszeichnen, wie es anhand der 2 und 3 deutlich wird, können die optischen Eigenschaften jeder Substruktur, beispielsweise der Finger 6, 7, Träger und Stäbe, wie folgt durch eine Apertur reflektierender Art dargestellt werden:
Unter Bezug auf das in 1 vorgestellte Konzept der lateralen konfokalen Mikroskopie wird die Eingangsapertur P₁ mit einem Transmissions- bzw. Übertragungsverhältnis t(x, y) in die vordere Fokusebene der Fouriertransformationslinse bzw. FT-Linse L₁ gestellt, während die Objektapertur P₂ mit einem entsprechenden Transmissions- bzw. Übertragungsverhältnis o(x, y) sich in der hinteren Fokusebene der FT-Linse L₁ befindet. Die detektierende Apertur P₃ mit einem Transmissions- bzw. Übertragungsverhältnis d(x, y) ist in der hinteren Fokusebene der FT-Linse L₃ angeordnet, in deren Nähe sich ein Fotodetektor 3 zur Erfassung der Intensitätsänderungen in der Intensitätsantwort des Systems befindet.
Wenn der Einfluss der Apertur der Linsen L₁, L₂ und L₃ in der 1 unberücksichtigt bleibt, und ferner vorausgesetzt wird, dass die einfallende ebene Welle eine Einheitsamplitude aufweist, dann lässt sich die Wellenfront in der hinteren Fokusebene der FT-Linse L₁ offensichtlich wie folgt angeben: U2(x, y) = F.T.{t(x, y)}.
Die Wellenfront auf der Rückseite der Apertur P₃ lässt sich wie folgt ableiten: U3(– x, –y) = F.T.{t(x, y)}·o(x, y)·d(x, y) und die von dem Fotodetektor 3 erfasste Intensität, dessen Detektorfläche viel größer als die der Apertur P₃ ist, lässt sich demnach wie folgt berechnen:
Um das Prinzip der vorgeschlagenen lateralen konfokalen Mikroskopie auf einfache Weise zu erklären, werden als Aperturen P₁ und P₃ jeweils quadratische Aperturen gewählt, die die Abmessungen a × a bzw. b × b aufweisen. Dann ergeben sich die Übertragungsverhältnisse zu:
Es ist klar, dass auch andere, nicht-quadratische Aperturen, beispielsweise runde, ausgewählt werden können, ohne zu wesentlich anderen Analyseergebnisse zu gelangen. Das Übertragungsverhältnnis für die Apertur P₂ ist durch
definiert, worin u die laterale Verschiebung der Apertur P₂ entlang der x-Achse ist. Somit wird die Wellenfront auf der Rückseite der Apertur P₃ erhalten zu:
Die Intensität ergibt sich folglich zu:
Offensichtlich hängt die Intensitätsänderung I(u) in starkem Maße von den Abmessungen der drei Aperturen P₁, P₂ und P₃ und der Brennweite f der FT-Linsen L₁, L₂ und L₃ ab. Eine relativ einfache Analyse ergibt sich unter der Annahme, dass die Abmessungen der drei Aperturen P₁, P₂ und P₃ die folgenden Beziehungen aufweisen:
Die oben angegebene Beziehung ist geometrisch in 4 erläutert: Es wird angenommen, dass die detektierende Apertur P₃ ein wenig kleiner als die Größe des fokussierten Lichtflecks in der rückseitigen Fokusebene der Linse L₁ sei, um einen möglichen Einfluss von Beugungen höherer Ordnung zu beseitigen und die analytische Modellierung zur endgültigen Intensitätsantwort zu vereinfachen. Außerdem wird auch erwartet, dass die Größe der detektierenden Apertur P₃ nicht viel kleiner oder größer als diejenige der zu messenden Mikrostruktur P₂ in x-Richtung sei, was umgekehrt bedeutet, dass die Größe des fokussierten Lichtflecks auch durch Änderung der Größe der Apertur P₁ und/oder der Brennweite der Linse L₁ geeignet justiert werden sollte.
In 5 sind typische Intensitätsantworten für die drei zu unterscheidenden Fälle für das Verhältnis der Aperturabmessungen b und c wiedergegeben. Die durchgezogene Linie zeigt die Intensitätsantwort für den Fall, dass die Abmessung b der detektierenden Apertur P₃ in der X-Achse gleich der Abmessung c der Objektapertur P₂ bzw. der Breite der MEMS-Substruktur sind. In diesem Fall existiert eine scharfe Spitze bei u = 0 in der Kurve der Intensitätsantwort, was auf eine ausgezeichnete Auflösung bei der Bestimmung der Lage der Objektapertur P₂ hinweist.
Die etwas abgerundeter verlaufende Intensitätsantwort, in der 5 mit einer Strichlinie angedeutet, ergibt sich für den Fall, dass die Abmessung c der Objektapertur P₂ bzw. der MEMS-Substruktur deutlich kleiner als die Abmessung b der detektierenden Apertur P₃ ist (in der X-Achse). Schließlich wird in dem Fall, dass die Objektapertur P₂ bzw. die MEMS-Struktur breiter als die detektierende Apertur P₃ ist, d. h. für b < c, eine im oberen Bereich abgeschnittene Kurve in der Intensitätsantwort erhalten. Diese in der 5 mit der Strichpunktlinie gezeigte Intensitätsantwort weist in der Mitte ein Plateau auf und deutet somit auf eine Sättigung der Intensitätsantwort hin.
Im Folgenden wird anhand der 4 und 6 ein erstes Anwendungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren erläutert. Die Intensitätsantwort 11 ist in der 6 nochmals wiedergegeben. Die Bereiche 12 und 13 der Intensitätsantwort 11 weisen eine recht gute Linearität mit den entsprechenden Koeffizienten k für den Abschnitt 12 und –k für den Abschnitt 13 auf. Somit lässt sich für den Bereich 12 des linearen Anstiegs in der lateralen konfokalen Antwort folgender Ausdruck erhalten: I(u) = k·u,
worin der Koeffizient k von den im Vorfeld definierten Parametern eines optoelektrischen Systems für ein reales laterales konfokales Mikroskop abhängt. Der Koeffizient kann bevorzugt experimentell bestimmt werden. In durchgeführten Experimenten wurden für k Werte von etwa 2 mV/nm bestimmt. Im Allgemeinen zeigt ein großer Wert des Anstiegs k eine höhere Empfindlichkeit für die Messung der lateralen Verschiebung an. Ein kleiner Wert des Anstiegs k zeigt hingegen einen größeren Messbereich für die ebene Verschiebung an.
Anschließend wird die MEMS-Substruktur mit der Objektapertur P₂ gemäß 4 derart angeordnet, dass die Mitte der lateralen Ausbreitung c in etwa gegenüber einer Randkante der Apertur P₃ liegt. Kleine Verschiebungen um diese Position der MEMS-Substruktur führen zu einer Änderung der Intensität in dem linearen Bereich 12 der Intensitätsantwort 11 und können nun in diesem linearen Abschnitt 12 abgelesen werden.
Ein alternatives Verfahren zur Bestimmung der ebenen Verschiebung der zu prüfenden MEMS-Struktur kann unter der Berücksichtigung entwickelt werden, dass die linke oder die rechte Seite der Intensitätsantwort 11 in den Bereichen (–b, 0) bzw. (0, b) monoton ansteigend bzw. abfallend ist. Dann können verschiedene Approximationsverfahren, beispielsweise polynome Kurvenapproximation, Modellierung neuronaler Netze etc., verwendet werden, um die Beziehung zwischen dem Parameter u und der Intensität I aufzustellen, die mit dem Fotodetektor erhalten wird, d. h. u = f(I). Die Verschiebung der zu prüfenden MEMS-Struktur kann dann bestimmt werden, indem die Intensitätsschwankung I durch das aufgestellte Modell f ersetzt wird.
Als weitere Alternative kann mit Hilfe eines geeigneten Scanverfahrens zur Änderung der relativen lateralen Lage der zu prüfenden MEMS-Struktur auf der rückwärtigen Fokusebene der Linse L1 die ebene Verschiebung der Struktur verfolgt werden, indem die Lichtintensität auf dem Fotodetektor konstant gehalten wird. In diesem Fall ist die absolute Verschiebung der Mikrostruktur gleich der durch das Scann-Verfahren verursachten relativen Verschiebung, aber die Richtung ist umgekehrt.
In 7 ist eine Intensitätsantwort für ein weiteres Anwendungsbeispiel gezeigt. Da die Intensitätsantwort 14 in einem Bereich einer Sättigung der Intensität ein Plateau 15 aufweist, ist die laterale Abmessung c der zu prüfenden Struktur größer bzw. der Objektapertur P₂ als die laterale Abmessung b der detektierenden Apertur P₃. Unter der Voraussetzung, dass die Abmessungen der detektierenden Apertur P₃ justierbar sind, kann die laterale konfokale Mikroskopie auch zur Bestimmung der geometrischen Abmessung der MEMS-Substruktur dahingehend verwendet werden, dass die Abmessung b der detektierenden Apertur P₃ größer werdend für jede vollständig aneinander vorbeigeführte Relativbewegung nachjustiert wird. Die Breite des Plateaus 15 nimmt dann ab. In dem Moment, in dem die aufsteigende Flanke der Intensitätsantwort 14 und die absteigende Flanke der Intensitätsantwort 14 aufeinander treffen, d. h. wenn die Sättigung der Intensität aufhört und das Plateau 15 verschwindet, ist die laterale Abmessung b der detektierenden Apertur P₃ gleich der lateralen Abmessung c der zu prüfenden Struktur bzw. der Objektapertur P₂. Vorausgesetzt, dass die Aperturgröße von P₃ zu b = c justierbar ist, kann der Formpeak in 6 benutzt werden, um die relativen Positionen oder Verteilungen der Substrukturen in einer Mikrostruktur mit einem großen Aspektverhältnis, wie in 8 gezeigt ist, zu bestimmen.
In der 9 ist ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt. Eine der typischen Realisierungen der lateralen konfokalen Mikroskopie mit dem Ziel der Kalibrierung eines elektrostatischen Kammantriebs wird mit dieser Vorrichtung möglich. Aus einem optischen Lichtwellenleiter 20 mit einem Einkopplungssystem 21 kommend durchläuft ein kollimierter Laserstrahl 22 einen polarisierenden Strahlersteiler 23.
Nach dem Passieren des polarisierenden Strahlenteilers 23, fällt der kollimierte Laserstrahl 22 in ein Mikroskopobjektiv L₁, nachdem er eine λ/4-Platte 24 durchlaufen hat. Das Mikroskopobkjektiv L₁ mit einer numerischen Apertur NA = 0,8 und einer Vergrößerung 50× bildet einen optischen Sensor. Der Laserstrahl 22 fällt anschließend auf die Oberfläche eines beweglichen Fingers des zu prüfenden Aktuators, der eine entsprechende Objektapertur P₂ bildet. Das reflektierte Licht des Laserstrahles 22 wird mit Hilfe einer λ/4-Platte 24 und des polarisierenden Strahlenteilers 23 zu einem Mikroskopobjektiv L₃ geschickt und dann mit einer Lochblende mit 5 μm Durchmessern als detektierende Apertur P₃ gefiltert, die sich auf der rückwärtigen Fourierebene der Objektivlinse L₃ befindet. Offensichtlich wirkt die Mikroskoplinse L1 in dieser Konfiguration nicht nur als fokussierende Linse L₁ aus der 1 sondern auch als Sammellinse L₂ aus der 1.
Ein piezoelektrischer Achsentisch 25 wird zunächst für das standardmäßige konfokale Scannen in Z-Richtung eingesetzt, um die obere Oberfläche des beweglichen Fingers des zu prüfenden Aktuators mit der Objektapertur P₂ in der rückwärtigen Fourierebene des Objektivs L₁ zu positionieren. Dann wird der Achsenscantisch 25 benutzt, um die laterale konfokale Antwort des experimentellen Aufbaus in X-Richtung zu bestimmen. Schließlich wird der zu prüfende Aktuator in den linearen Bereich des lateralen konfokalen Mikroskops positioniert. Durch Anlegen der Antriebsspannung an den Aktuator wird dann die reale Spannungs-Verschiebungs-Antwort des Aktuators erhalten, indem die Antriebsspannung und die Intensitätsänderung mit dem Fotodetektor 26 gleichzeitig erfasst werden.

Claims

Verfahren zur Messung von Verschiebungen und/oder einer Geometrie von Mikrostrukturen, bei dem (a) durch eine Eingangsapertur (P1) einfallendes Licht einer Wellenlänge (λ) mit einer ersten Linse (L₁), die eine Brennweite (f) hat, auf eine Mikrostruktur fokussiert wird, (b) das von der Struktur kommende Licht erfasst wird und (c) eine laterale Relativbewegung zwischen der zu prüfenden Struktur und einer detektierenden Apertur (P₃) erzeugt wird, so dass die Intensität (I) des reflektierten Lichtes variiert wird, um eine Beziehung (I(u)) zwischen der lateralen Relativbewegung (u) und der Intensitätsantwort (I) zu ermitteln, dadurch gekennzeichnet, dass (d) die Position (u) der Mikrostruktur aus einer linearen Region (12, 13) innerhalb der Beziehung (I(u)) zwischen der lateralen Verschiebung (u) der zu prüfenden Struktur und der Intensitätsantwort (I) ermittelt wird und (e) die detektierende Apertur eine Abmessung (b) hat, die kleiner ist als
wobei f die Brennweite, a eine Abmessung der Eingangsapertur (P₁), und λ eine Wellenlänge des einfallenden Lichts ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Mikrostruktur einen Kammaktuator (5) umfasst, der feste Finger (6) und zwischen den festen Fingern (6) angeordnete bewegliche Finger (7) aufweist, wobei die Abmessung (b) der detektierenden Apertur (P₃) und – die festen Finger (6) oder die beweglichen Finger (7) eine Breite aufweisen, die so groß ist, dass die Intensitätsantwort eine scharfe Spitze besitzt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die festen Finger (6) oder die beweglichen Finger (7) eine Breite aufweisen, die der Abmessung (b) der detektierenden Apertur (P₃) entspricht.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostruktur ein mikroelektromechanisches System ist, das ein Aspektverhältnis von mindestens zehn aufweist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der lateralen Relativbewegung die zu prüfende Struktur und der fokussierte Lichtfleck aneinander vorbeigeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei der lateralen Relativbewegung die zu prüfende Struktur und der fokussierte Lichtfleck sich stets nur teilweise überlappend angeordnet werden.
Vorrichtung zur Messung einer Geometrie und/oder von Verschiebungen von Mikrostrukturen mit (a) einer Eingangsapertur (P₁), (b) einer hinter der Eingangsapertur (P₁) angeordneten ersten Linse (L₁) mit einer Brennweite (f), um ein einfallendes Licht von einer Lichtquelle auf eine zu prüfende Struktur zu fokussieren, und (c) einer detektierenden Apertur (P₃), um das von der Mikrostruktur kommende Licht zu erfassen, dadurch gekennzeichnet, dass (d) die Vorrichtung eingerichtet ist, eine laterale Relativbewegung zwischen der zu prüfenden Struktur, einem fokussierten Lichtfleck und der detektierenden Apertur (P₃) zu erzeugen, so dass die Intensität (I) des reflektierten Lichtes variiert, um eine Beziehung (I(u)) zwischen der lateralen Relativbewegung (u) und der Intensitätsantwort (I) zu ermitteln, und die Position (u) der Mikrostruktur aus einer linearen Region (12, 13) innerhalb der Beziehung (I(u)) zwischen der lateralen Verschiebung (u) der zu prüfenden Struktur und der Intensitätsantwort (I) zu ermitteln und (e) die detektierende Apertur eine Abmessung (b) hat, die kleiner ist als
wobei f die Brennweite, a eine Abmessung der Eingangsapertur (P₁) und λ eine Wellenlänge des einfallenden Lichts ist, wobei.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der vorderen Fokusebene der ersten Linse (L₁) eine Eingangsapertur (P₁) und in der hinteren Fokusebene die zu prüfende Struktur angeordnet sind, die eine entsprechende Objektapertur (P₂) bildet.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Linsenanordnung mit einer zweiten Linse (L₂), in deren vorderen Fokusebene die zu prüfende Struktur angeordnet ist, und mit einer dritten Linse (L₃) vorgesehen ist, in deren hinteren Fokusebene die detektierende Apertur (P₃) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fotodetektor zum Erfassen der Intensitätsantwort hinter der detektierenden Apertur (P₃) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Relativbewegung eine Scannvorrichtung derart vorgesehen ist, um die Position des fokussierten Lichtes auf der zu prüfenden Struktur zu variieren.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Scannvorrichtung ein piezoelektrischer oder elektromagnetischer Verschiebetisch, ein akusto- oder elektrooptischer Modulator oder ein optischer Rotations- oder Schwingungsscanner ist.