DE102014204029B4

DE102014204029B4 - Membrandickenmessgerät

Info

Publication number: DE102014204029B4
Application number: DE102014204029.9A
Authority: DE
Inventors: Zhi Li; Uwe Brand; Ludger Koenders
Original assignee: Bundesrepublik Deutschland Vertr Durch Das Bundesministerium fur Wirtsch und Energie Dieses Vertret; Bundesministerium fuer Wirtschaft und Energie
Current assignee: Bundesrepublik Deutschland Vertr Durch Das Bundesministerium fur Wirtsch und Energie Dieses Vertret; Bundesministerium fuer Wirtschaft und Energie
Priority date: 2014-03-05
Filing date: 2014-03-05
Publication date: 2020-01-09
Anticipated expiration: 2034-03-06
Also published as: DE102014204029A1

Abstract

Membrandickenmessgerät (10) mit
(a) einem Membranhalter (12) zum Halten einer Membran (14) mit einer Membrandicke (t_m) von weniger als 50 Mikrometern in einer Messstellung,
mit
(b) einer ersten Antastvorrichtung (18.1),
- die eine erste Tastspitze (20.1) und
- einen Antrieb (22.1) besitzt, mittels dem die Antastvorrichtung (18.1) aus einer Ruhelage, in der die erste Tastspitze (20.1) von der Membran (14) in der Messstellung beabstandet ist, in eine Antastlage, in der die erste Tastspitze (20.1) an die Membran (14) antastet, brinbgar ist, und
(c) einer zweiten Antastvorrichtung (18.2),
- die eine zweite Tastspitze (20.2) und
- einen zweiten Antrieb (22.2) besitzt, mittels dem die zweite Antastvorrichtung (18.2)
aus einer Ruhelage, in der die zweite Tastspitze (20.2) von der Membran (14) beabstandet ist,
in eine Antastlage, in der die zweite Tastspitze (20.2) an die Membran (14) antastet, brinbgar ist,
(d) wobei die erste Antastvorrichtung (18.1) und die zweite Antastvorrichtung (18.2) so ausgebildet sind, dass sich die erste Tastspitze (20.1) und die zweite Tastspitze (20.2) stets auf einer gemeinsamen gedachten Geraden (g) bewegen,
und mit
(e) einer Längenmessvorrichtung (64), die angeordnet ist zum Messen eines Abstands (d) zwischen der ersten Tastspitze (20.1) und der zweiten Tastspitze (20.2), dadurch gekennzeichnet, dass
(f) die erste Antastvorrichtung (18.1) und die zweite Antastvorrichtung (18.2) ein mikroelektromechanisches System auf einem gemeinsamen Substrat bilden, und weiter gekennzeichnet dadurch, dass
(g) die Längenmessvorrichtung (64) ein Interferometer umfasst, das
(h) eine Lichtumlenkvorrichtung (68) aufweist, die angeordnet ist zum gemeinsamen Umlenken eines Referenzlichts (60) und eines Messlichts (61) und die mit dem Substrat (16) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Membrandickenmessgerät mit einem Membranhalter zum Halten einer Membran mit einer Membrandicke von weniger als 50 µm in einer Messstellung, mit einer ersten Antastvorrichtung, die eine erste Tastspitze und einen Antrieb besitzt, mittels dem die erste Antastvorrichtung aus einer Ruhelage, in der die Tastspitze von der Membran in der Messstellung beabstandet ist, in eine Antastlage, in der die Tastspitze an die Membran antastet, bringbar ist, und einer zweiten Antastvorrichtung, die eine zweite Tastspitze und einen zweiten Antrieb besitzt, mittels dem die zweite Antastvorrichtung aus einer Ruhelage, in der die zweite Tastspitze von der Membran beabstandet ist, in eine Antastlage, in der die zweite Tastspitze an die Membran antastet, bringbar ist, wobei die erste Antastvorrichtung und die zweite Antastvorrichtung so ausgebildet sind, dass sich die erste Tastspitze und die zweite Tastspitze stets auf einer gemeinsamen gedachten Geraden bewegen, und mit einer Längenmessvorrichtung, die angeordnet ist zum Messen eines Abstands zwischen der ersten Tastspitze und der zweiten Tastspitze.
Die Membrandickenmessgeräte werden dazu eingesetzt, um die Dicke von Membranen zu bestimmen. Es sind Membranmessgeräte bekannt, die auf einem optischen Messprinzip beruhen und daher nur für Membranen aus transparenten oder zumindest teiltransparenten Membranen eingesetzt werden können.
Es ist auch bekannt, dass die Membrandicken dadurch bestimmt werden können, dass die Membran zerteilt wird und die Schnittfläche mittels eines Rasterkraftmikroskops auf ihre Breite untersucht wird. Nachteilig ist hieran, dass es sich um ein zerstörendes Verfahren handelt.
Aus der DE 10 2009 010 096 A1 ist eine Rastersonden-Antriebseinheit bekannt, die lithographisch auf einem Substrat hergestellt ist und mehrere elektrische Kammantriebe aufweist. Die Rastersonden-Antriebseinheit kann zum Aufbau eines Rasterkraftmikroskops genutzt werden.
Der Artikel „Lateral comb-drive MEMS structure for micro-measuring probe application“ von SUN, [et al.], veröffentlicht in Proc. Of SPIE Vol. 8191, 81911H, beschreibt die Entwicklung eines mikroelektromechanischen Systems mit einem elektrostatischen Kammantrieb, der für eine Tastsonde zur Messung von Topographien im Mikrometerbis Nanometerbereich genutzt werden kann.
Der Artikel „A micro-SPM head for large-scale topography measurement“ von GAO [et al.], veröffentlicht in Proc. Of SPIE Vol. 7718, 77181L-1, offenbart einen mit mehreren Tastsensoren ausgestatteten Sensorkopf, wobei jeder Tastsensor ein mikroelektromechanisches System mit einem elektrischen Kammantrieb aufweist. Zur Kalibrierung und/oder zur Messung der Auslenkung der Tastköpfe kann eine Glasfaser eingebracht werden, um mit dieser ein Interferometer aufzubauen.
Aus der US 6 441 905 B1 ist ein Dickenmessgerät bekannt, bei dem zwei einander gegenüber liegende Tastköpfe von unterschiedlichen Seiten an einer Membran antasten und so die Membrandicke bestimmen können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Membrandickenmessgerät für Membranen mit einer Membrandicke von weniger als 50 µm, insbesondere höchstens 10 µm, bereitzustellen, das für Membranen unterschiedlicher Membranmaterialien einsetzbar ist.
Die Erfindung löst das Problem durch ein gattungsgemäßes Membrandickenmessgerät, bei dem die erste Antastvorrichtung und die zweite Antastvorrichtung ein mikroelektromechanisches System auf einem gemeinsamen Substrat bilden, und bei dem die Längenmessvorrichtung ein Interferometer umfasst, das eine Lichtumlenkvorrichtung aufweist, die angeordnet ist zum gemeinsamen Umlenken eines Referenzlichts und eines Messlichts und die mit dem Substrat verbunden ist.
Vorteilhaft an dem erfindungsgemäßen Membrandickenmessgerät ist es, dass es für Membranen aus einer breiten Vielzahl an Membranmaterialien einsetzbar ist. So können sowohl transparente als auch nicht transparente Membranen verwendet werden.
Das erfindungsgemäße Membranmessgerät ist zudem sowohl für elektrisch leitfähige als auch für elektrisch nicht leitfähige Materialien einsetzbar. Auch die mechanischen Eigenschaften des Membranmaterials können über einen weiten Bereich variieren.
Vorteilhaft ist zudem, dass die Membrandicke rückführbar gemessen werden kann. Hierunter ist zu verstehen, dass die gemessene Membrandicke mit einer berechenbaren Messunsicherheit auf die gesetzliche Definition der Si-Einheit-Meter zurückführbar ist.
Vorteilhaft ist zudem, dass eine hohe Messgenauigkeit erreicht werden kann. Beispielsweise kann als Längenmessvorrichtung ein Interferometer verwendet werden, so dass Messunsicherheiten im Nanometerbereich erreichbar sind.
Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter dem Membranhalter eine Vorrichtung verstanden, mittels dem eine Membran mit einer Membrandicke von weniger als 50 µm, insbesondere weniger als 10 µm, insbesondere auch mit weniger als 1 µm, an einem Ort fixierbar ist. Insbesondere ist der Membranhalter ausgebildet zum Halten einer Membran mit einer Membrandicke von zumindest 100 Nanometern.
Unter Längenmessvorrichtung wird insbesondere eine Vorrichtung verstanden, mittels der die Position der Tastspitze relativ zu einem vorgegebenen anderen Objekt messbar ist. Bei diesem anderen Objekt kann es sich beispielsweise um eine gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehene zweite Tastspitze handeln. Alternativ handelt es sich um einen Fixpunkt auf dem Substrat des mikroelektromechanischen Systems.
Unter dem Merkmal, dass die Antastvorrichtung ein mikroelektromechanisches System ist, wird insbesondere verstanden, dass die Komponenten der Antastvorrichtung aus einem Substrat herausgearbeitet sind. Beispielsweise kann das Substrat ein Halbleitersubstrat sein, das mittels eines lithographischen Verfahrens und/oder eines Ätzverfahrens zur Bearbeitung von Halbleitersubstraten so behandelt wurde, dass die Antastvorrichtung entsteht.
Insbesondere ist die Antastvorrichtung mit dem Substrat einstückig verbunden. Unter einer einstückigen Verbindung wird verstanden, dass keine Fügestelle existiert. Wenn es sich bei dem Halbleitersubstrat, wie gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, um ein Einkristallsubstrat handelt, bedeutet dies, dass sich die Kristallstruktur am Übergang zwischen dem Substrat und der Antastvorrichtung übergangslos fortsetzt.
Bei dem Substrat handelt es sich vorzugsweise um Silizium. Silizium hat den Vorteil, dass es durch richtungsselektives Ätzen bearbeitet werden kann. Vorzugsweise wird ein Silizium-Einkristall verwendet. Das hat den Vorteil, dass sich auch bei wiederholten Bewegungen beispielsweise der Federarme keine Versetzungen akkumulieren, so dass die mechanischen Eigenschaften zeitlich konstant bleiben.
Das Merkmal, dass sich die Tastspitzen auf einer gemeinsamen gedachten Geraden bewegen, ist insbesondere so zu verstehen, dass sich die Tastspitzen treffen würden, wenn sie sich hinreichend weit aufeinander zu bewegen oder bewegen könnten. Es wird so erreicht, dass die Membran durch die beiden Tastspitzen kein Kippmoment erfährt. Das erhöht die Messgenauigkeit.
Unter dem Merkmal, dass die Längenmessvorrichtung zum Messen des Abstands zwischen den beiden Tastspitzen ausgebildet ist, wird insbesondere verstanden, dass ein Abstand zwischen einer Komponente der ersten Abtastvorrichtung und einer Komponente der zweiten Abtastvorrichtung gemessen wird, die einen festen Abstand von den jeweiligen Tastspitzen haben, so dass aus dem gemessenen Abstand auf den Abstand der Tastspitzen geschlossen werden kann.
Vorteilhaft an dieser Ausführungsform ist, dass die Membrandicke mit hoher Genauigkeit bestimmt werden kann. Es ist möglich, die beiden Tastspitzen sukzessive so weit auszulenken, bis sie an die Membran anstoßen, wobei es nicht davon abhängt, wo die Membran vom Membranhalter relativ zu den beiden Tastspitzen in ihren Ruhelagen positioniert ist. Es ist zwar grundsätzlich denkbar, dass nur eine Antastvorrichtung vorhanden ist und der Membranhalter so lange auf beispielsweise einen feststehenden Anschlag zu bewegt wird, bis die Membran an diesen Anschlag anschlägt, und dass dann die erste Tastspitze so weit ausgelenkt wird, bis sie in Kontakt mit der Membran kommt. Durch die Verwendung von zwei Tastspitzen kann die Membrandicke aber mit einer höheren Genauigkeit bestimmt werden, da feinfühlig feststellbar ist, ob die zweite Tastspitze die Membran berührt.
Die erste Antastvorrichtung und die zweite Antastvorrichtung bilden ein mikroelektromechanisches System auf einem gemeinsamen Substrat. So wird eine hohe Fertigungsgenauigkeit erreicht. Vorzugsweise umfasst die erste Antastvorrichtung eine erste Rückstellfeder und die zweite Antastvorrichtung eine weitere Rückstellfeder. Insbesondere sind die Rückstellfedern aus dem Substrat herausgearbeitet.
Günstig ist es, wenn die Federn S-förmig oder mäanderförmig sind, das heißt, dass sie mehrere Bögen besitzen. Günstig ist es, wenn die Rückstellfedern jeweils zwei Federarme besitzen, die mit jeweils einem Ende an einem Schaft der jeweiligen Antastvorrichtung angreifen. Günstig ist es, wenn die Federarme symmetrisch zu einer Längsachse des Schafts sind. In anderen Worten existiert dann eine Symmetrieebene, bezüglich der die Federarme spiegelsymmetrisch sind, wobei die Längsachse durch den Schaft in der Symmetrieebene liegt. Die Tastspitze ist vorzugsweise am Schaft ausgebildet.
Vorzugsweise umfasst die Längenmessvorrichtung ein Interferometer. Es lassen sich so besonders hohe Genauigkeiten erzielen.
Vorzugsweise umfasst das Interferometer zumindest einen Referenzlichtleiter-Eingang für Referenzlicht, der mit dem Substrat verbunden ist, zum Anschließen eines ersten Referenzlichtleiters, zumindest einen ersten Messlichtleiter-Eingang für Messlicht, der mit dem Substrat verbunden ist, zum Anschließen eines ersten Messlichtleiters, zumindest einen Referenzlichtleiter-Ausgang für das Referenzlicht, der mit dem Substrat verbunden ist, zum Anschließen eines zweiten Referenzlichtleiters, und zumindest einen Messlichtleiter-Ausgang für das Messlicht, der mit dem Substrat verbunden ist, zum Anschließen eines zweiten Messlichtleiters.
Erfindungsgemäß ist zudem eine Membrandickenmessvorrichtung, die ein erfindungsgemäßes Membrandickenmessgerät, eine Referenzlichtquelle und eine Interferenzauswerteeinheit umfasst, wobei die Referenzlichtquelle an die Referenzlichtleiter zum Einspeisen des Referenzlichts angeschlossen ist und wobei die Interferenzauswerteeinheit an die Messlichtleiter angeschlossen ist, so dass der Abstand zwischen der ersten Tastspitze und der zweiten Tastspitze durch Interferieren-Lassen des Messlichts und des Referenzlichts messbar ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Membrandickenmessgeräts umfasst der erste Antrieb einen elektrischen Direktantrieb, insbesondere einen elektrischen Kammantrieb. Besonders günstig ist es, wenn alternativ oder zusätzlich der zweite Antrieb einen elektrischen Antrieb, insbesondere einen elektrischen Kammantrieb, umfasst. Ein elektrischer Kammantrieb umfasst zwei kammartige Elektroden, deren Vorsprünge zumindest teilweise ineinandergreifen. Die Elektroden bilden so einen Kondensator. Ändert sich die Spannung zwischen den Elektroden, so ändert sich die Anziehungskraft, die beide Elektroden aufeinander ausüben. Gleichzeitig ändert sich die Kapazität des Kondensators, so dass aus der Kapazität auf die Position der beiden geschlossen werden kann. Die bevorzugt vorhandenen Rückstellfedern wirken antagonistisch zu dem Kammantrieb. Durch Anlegen einer Spannung an die Elektroden des Kammantriebs kann damit die Position der jeweiligen Tastspitze feinfühlig verändert werden.
Günstig ist es, wenn der erste Antrieb einen Vorpositionierantrieb und einen Feinpositionierantrieb, der einen elektrischen Kammantrieb umfasst, aufweist. Der Vorpositionierantrieb besitzt einen Hub, der zumindest halb so groß ist wie die Substratdicke. Der Vorpositionierantrieb dient dazu, die Tastspitze oder die Tastspitzen so weit voneinander zu beabstanden, dass die Membran zum Messen positioniert werden kann, ohne dass Gefahr besteht, die Tastspitze zu beschädigen. Beispielsweise ist der Vorpositionierantrieb so ausgebildet, dass er den Antrieb entgegen der Rückstellfeder aus deren Ruhelage auslenkt. Der Feinpositionierantrieb ist in diesem Fall so angeordnet, dass er die Tastspitze in entgegen gesetzter Richtung wie der Vorpositionierantrieb auslenkt. In anderen Worten hält die Rückstellfeder den Antrieb in einer Ruhelage, der Vorpositionierantrieb lenkt den Antrieb so, dass sich die Tastspitzen auseinander bewegen, wo hingegen der Feinpositionierantrieb die Tastspitzen aufeinander zu bewegt.
Günstig ist es, wenn der zweite Antrieb einen zweiten Vorpositionierantrieb und einen zweiten Feinpositionierantrieb, der einen zweiten elektrischen Kammantrieb umfasst, aufweist. Der zweite Vorpositionierantrieb kann, wie auch der erste Vorpositionierantrieb, durch einen elektrostatischen Kammantrieb, einen piezoelektrischen Antrieb oder einen thermischen Antrieb gebildet sein.
Vorzugsweise umfasst das Membrandickenmessgerät eine Ansteuereinheit, die ausgebildet ist zum automatischen Durchführen eines Verfahrens mit den Schritten: (i) Ansteuern des ersten Antriebs, so dass sich die erste Tastspitze auf die Membran zu bewegt, durch Verändern einer elektrischen Größe, wobei eine Position der ersten Tastspitze streng monoton mit der elektrischen Größe zusammenhängt und/oder Ansteuern des zweiten Antriebs, so dass sich die zweite Tastspitze auf den Membran zu bewegt durch Verändern einer elektrischen Größe, wobei eine Position der zweiten Tastspitze streng monoton mit der elektrischen Größe zusammenhängt, (ii) Messen einer Position der ersten Tastspitze und/oder einer Position der zweiten Tastspitze und Bestimmen einer Kontaktkraft, die die Abhängigkeit einer Positionsänderung der Tastspitze von einer Änderung der elektrischen Größe angibt, und (iii) Anhalten des ersten Antriebs und/oder des zweiten Antriebs, wenn die Kontaktkraft einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt

1 ein erfindungsgemäßes Membrandickenmessgerät gemäß einer ersten Ausführungsform und
2 ein erfindungsgemäßes Membrandickenmessgerät gemäß einer zweiten Ausführungsform.

1 zeigt ein nicht erfindungsgemäßes Membrandickenmessgerät 10 mit einem Membranhalter 12, der eine Membran 14 mit einer Membrandicke t_M hält. Der Membranhalter 12 ist relativ zu einem Substrat 16 beweglich, so dass die Membran 14 gewechselt werden kann. Bei der Membran 14 handelt es sich um einen dünnen Körper, wobei die Membrandicke t_M vorzugsweise zwischen 100 Nanometern und 10 Mikrometern liegt. Die Membran 14 ist so formstabil, dass sie vom Membranhalter 12 gehalten werden kann, ohne dass sie sich in Abhängigkeit von der Zeit signifikant deformiert.
Das Membrandickenmessgerät umfasst eine erste Antastvorrichtung 18, die eine erste Tastspitze 20.1 und einen ersten Antrieb 22.1 besitzt. Der erste Antrieb 22.1 umfasst einen Vorpositionierantrieb 24.1 und einen ersten Feinpositionierantrieb 26.1 in Form eines elektrischen Kammantriebs. Der erste Antrieb 22.1 besitzt zudem einen Schaft 28.1, der sich entlang einer Längsachse L erstreckt. An den Schaft 28.1 greift eine erste Rückstellfeder 30.1 an, die einen ersten Federarm 32.1 und einen zweiten Federarm 34.1 umfasst.
Die beiden Federarme 32.1, 34.1 sind zueinander spiegelsymmetrisch aufgebaut und an einem ihrer Enden einstückig mit dem Schaft 28.1 verbunden, mit dem jeweils anderen Ende sind sie einstückig mit dem Substrat 16 verbunden. Das Substrat 16 ist ein Silizium-Einkristall und die Komponenten des ersten Antriebs 22.1 sind durch Abtragen von Material des Substrats aus diesem herausgearbeitet. Die Methoden zur Herstellung von mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden daher hier nicht weiter beschrieben.
Der erste Antrieb 22.1 umfasst zudem zwei Kammarme 36.1 und 38.1, die spiegelsymmetrisch zueinander aufgebaut sind und die beweglichen Elektroden des Kammantriebs 26.1 bilden. Der erste Feinpositionierantrieb 26.1 umfasst zudem zwei kammartige Gegenelektroden, die fest mit dem Substrat 16 verbunden sind.
Der erste Vorpositionierantrieb 24.1 umfasst einen Hebelarm 40.1, der in einem Drehpunkt 42.1 drehbar gelagert ist. Ein kürzeres Bewegungsübersetzungssystem ist mit einem Aktor 44.1 verbunden, ein längerer Hebelarm wirkt auf einen Vorsprung 46.1 des Schafts 28.1. Bei Betätigung des Aktors 44.1 wird die erste Tastspitze 20.1 von der Membran 14 beabstandet.
Der erste Antrieb 22.1 umfasst einen Reflektor 48.1 zum Reflektieren von Messlicht 61 in Form von Laserlicht. Das Messlicht 61 wird durch einen Eingangs-Messlichtleiter 52.1 zugeführt, der mittels einer Messlichtleiterhalterung 54 befestigt ist.
Das Membrandickenmessgerät 10 umfasst zudem einen zweiten Antrieb 22.2, der gleich wie der erste Antrieb 22.1 aufgebaut ist. Gleiche Komponenten tragen im ersten Antrieb das Zählsuffix 1, im zweiten Antrieb 22.2 das Zählsuffix 2. Die beiden Tastspitzen 20.1, 20.2 bewegen sich stets auf einer Geraden g, die sich entlang einer Längsachse L des ersten Schafts 28.1 und des zweiten Schafts 28.2 erstreckt.
Die Messlichtleiter 52.1, 52.2 sind miteinander über zwei optische 3-Port-Zirkulatoren verbunden, wobei über den dritten Port des ersten 3-Port-Zirkulators Licht von einem Modulator MDL₁ zugeführt wird, das von einer Lichtquelle 66 stammt. Über den dritten Port des zweiten 3-Port-Zirkulators wird Licht ausgekoppelt und an eine Interferenzauswerteeinheit 76 geleitet.
Die Referenzlichtleiter 58.1, 58.2 sind ebenfalls über zwei optische 3-Port-Zirkulatoren verbunden, wobei über den dritten Port des ersten 3-Port-Zirkulators Licht von einem Modulator MDL₂ zugeführt wird, das von der Lichtquelle 66 stammt. Über den dritten Port des zweiten 3-Port-Zirkulators wird Licht ausgekoppelt und an die Interferenzauswerteeinheit 76 geleitet.
Die Messlichtleiter 52.1, 52.2, die Referenzlichtleiter 58.1, 58.2 und die Reflektoren 48.1, 48.2 sind Teil einer Längenmessvorrichtung 64 in Form eines Interferometers. Mittels der Längenmessvorrichtung 64 ist die Position der ersten Tastspitze 20.1 relativ zur zweiten Tastspitze 20.2 messbar, also ein Abstand d der beiden Tastspitzen.
Die Längenmessvorrichtung 64 umfasst die schematisch eingezeichnete Lichtquelle 66 zum Abgeben von Laserlicht mit mehreren Wellenlängen. Besonders günstig ist es, wenn die Lichtquelle 66 an einen originären Frequenzstandard, beispielsweise eine Atomuhr, angekoppelt ist.
Durch Interferieren-Lassen von Messlicht 61 und Referenzlicht 60 in der Interferenzauswerteeinheit 76 wird eine Änderung des Abstands d gemessen, so dass nach Kalibrieren auf einen Nullpunkt, bei dem sich die Tastspitzen 20.1, 20.2 berühren, der Abstand d messbar ist.
2 zeigt ein Membrandickenmessgerät 10 in einer erfindungsgemäßen Ausführungsform. In dieser Ausführungsform besitzt die Längenmessvorrichtung 64 eine Lichtumlenkvorrichtung 68, die im vorliegenden Fall durch zwei Spiegelelemente 70.1, 70.2 gebildet ist. Das Interferometer 64 besitzt zudem zwei Strahlteiler 72.1, 72.2.
Durch den Referenzlichtleiter-Eingang 56, an den der Referenzlichtleiter 58.1 angeschlossen ist, wird das Referenzlicht 60 zu einem Spiegel 62.1 geleitet. Der Spiegel 62.1 ist fest mit dem Substrat 16 verbunden und insbesondere aus dem Substrat 16 herausgearbeitet.
Das Messlicht 61 wird vom Messlichtleiter 52.1 zum Messlichtleiter-Eingang 54 geleitet, durchtritt den Strahlteiler 72.1 und gelangt zum Reflektor 48.1. Das von dort reflektierte Licht wird vom Strahlteiler 72.1 zum Spiegelelement 70.1 und von dort zum Spiegelelement 70.2 reflektiert. Vom Spiegelelement 70.2 gelangt das Messlicht 61 zum zweiten Strahlteiler 72.2 und von dort zum zweiten Reflektor 48.2. Nach Reflexion am Reflektor 48.2 gelangt das Messlicht 61 durch den Strahlteiler 72.2 zum Messlichtleiter-Ausgang 55, wo es in den Messlichtleiter 52.2 eingekoppelt wird.
Verändert sich der Abstand d der beiden Tastspitzen 20.1, 20.2, so ändert sich die Länge des optischen Wegs des Messlichts 61. Die Änderungen der optischen Wege von Messlicht 61 und Referenzlicht 60 führt zu einem Interferenzmuster in der Interferenzauswerteeinheit 76, das wie aus dem Stand der Technik bekannt ausgewertet wird.
Zum Messen der Membrandicke t_M werden zunächst die Vorpositionierantriebe 24.1, 24.2 aktiviert, so dass die Tastspitzen 20.1, 20.2 sich auseinander bewegen. Danach wird der Membranhalter 12 mit dem Membran 14 zwischen die beiden Tastspitzen 20.1, 20.2 gebracht und die Vorpositionierantriebe 24.1, 24.2 deaktiviert. Die Rückstellfedern 30.1, 30.2 halten die Antriebe 20.1, 20.2 dann in ihrer Nullstellung.
Das Betätigen der Vorpositionierantriebe 24.1, 24.2 wird automatisch durch eine Ansteuereinheit 74 durchgeführt, die nur schematisch eingezeichnet ist und in Verbindung mit den Aktoren 44.1, 44.2 sowie den Feinpositionierantrieben 26.1, 26.2 steht.
Die Ansteuereinheit 74 steuert danach die Feinpositionierantriebe 26.1, 26.2 so an, dass sich die Tastspitzen 20.1, 20.2 auf der Geraden g aufeinander zu bewegen, wobei sie kleine Oszillationsbewegungen in Längsrichtung ausführen. Dazu legt die Ansteuereinheit eine elektrische Spannung an die Feinpositionierantriebe 26.1, 26.2 an, die einen Wechselspannungsanteil und einen Gleichspannungsanteil hat. Der Gleichspannungsanteil führt zur Bewegung der Tastspitzen im Mittel, der Wechselspannungsanteil hingegen führt zu Oszillationsbewegungen. Die Ansteuereinheit 74 misst beständig eine Phasenverschiebung zwischen der Wechselspannung und dem resultierenden elektrischen Wechselstrom.
Sobald sich die Phasenverschiebung zwischen dem Wechselstrom und der Wechselspannung ändert, ist es ein Zeichen dafür, dass die entsprechende Tastspitze in Kontakt mit der Membran 14 gekommen ist. Die weitere Bewegung der entsprechenden Tastspitze wird dann unterbunden. Der Weg, den die beiden Tastspitzen relativ zueinander zurücklegen, wird von der Längenmessvorrichtung 64 erfasst. Nachfolgend werden die Tastspitzen 20 wieder auseinander gefahren und die Membran 14 entfernt. Durch erneutes Zusammenfahren der Tastspitzen, bis sie einander berühren, und Ermittlung der Wegdifferenzen zwischen dem Antasten der Tastspitzen und dem Antasten der Membran ergibt sich die Dicke der Membran.
Das Membrandickenmessgerät 10 ist zusammen mit der Referenzlichtquelle 66 und der Interferenzauswerteeinheit 76 Teil einer Membrandickenmessvorrichtung 78. Die Referenzlichtquelle 66 ist an die Referenzlichtleiter 58.1, 58.2 zum Einspeisen des Referenzlichts 60 angeschlossen ist. Die Interferenzauswerteeinheit 78 ist an die Messlichtleiter 52 angeschlossen ist, so dass der Abstand d zwischen der ersten Tastspitze 20.1 und der zweiten Tastspitze 20.2 aus durch Interferieren-Lassen des Messlichts 61 und des Referenzlichts 60 messbar ist.
Bei beiden Ausführungsformen des Membrandickenmessgeräts ist die Längenmessvorrichtung 64 so ausgebildet, dass sich der optische Pfad des Messlichts 61 ändert, wenn sich der Abstand der beiden Tastspitzen 20.1, 20.2 ändert, dass aber der optische Weg des Referenzlichts 60 konstant bleibt. So läuft das Referenzlicht 60 aus dem Referenzlichtleiter 58.1 auf den Strahlteiler 72.1 zu, passiert diesen und wird vom Spiegel 62.1 auf den Strahlteiler 72.1 reflektiert und von dort auf das Spiegelelement 70.1 geleitet. Nach Reflexion auf dem Spiegelelement 70.1 und dem Spiegelelement 70.2 gelangt das Referenzlicht 60 zum Strahlteiler 72.2 und von dort zum Spiegel 62.2, der es reflektiert. Das Referenzlicht 60 gelangt dann durch den Strahlteiler 72.2 in den Referenzlichtleiter-Ausgang 57.
Sofern die Komponenten im Strahlengang des Referenzlichts 60 relativ zueinander schwingen und sofern die Temperatur konstant bleibt, ändert sich der optische Weg des Referenzlichts 60 nicht. Das Referenzlicht 60 gelangt durch den Referenzlichtleiter-Ausgang in den zweiten Referenzlichtleiter 58.
Bezugszeichenliste

10: Membrandickenmessgerät
12: Membranhalter
14: Membran
16: Substrat
18: Antastvorrichtung
20: Tastspitze
22: Antrieb
24: Vorpositionierantrieb
26: Feinpositionierantrieb
28: Schaft
30: Federsystem des Feinpositioniersystems
32: Erster Federarm
34: Zweiter Federarm
36: Kammarm
38: Kammarm
40: Hebelarm
42: Drehpunkt
44: Aktor
46: Vorsprung
48: Reflektor
50: im MEMS eingebetteter Messlichtleiter
52: Messlichtleiter
54,55: Lichtleiterhalterung
56,57: im MEMS eingebettete Referenzlichtleiter
58: Referenzlichtleiter
60: Referenzlicht
61: Messlicht
62: Spiegel
64: Längenmessvorrichtung
66: Lichtquelle
68: Lichtumlenkvorrichtung
70: Spiegelelement
72: Strahlteiler
74: Ansteuereinheit
76: Interferenzauswerteeinheit
78: Membrandickenmessvorrichtung
t_M: Membrandicke
L: Längsachse
g: Gerade
d: Abstand_fr
t_fr: Membranhalterdicke
Fp: Grobpositionierkraft
λ: Wellenlänge
k_tip: Steifigkeit des Feinpositioniersystems
MR: Referenzspiegel
ACT: Aktor
MMM: Bewegungsübersetzungssystem

Claims

Membrandickenmessgerät (10) mit (a) einem Membranhalter (12) zum Halten einer Membran (14) mit einer Membrandicke (t_m) von weniger als 50 Mikrometern in einer Messstellung, mit (b) einer ersten Antastvorrichtung (18.1), - die eine erste Tastspitze (20.1) und - einen Antrieb (22.1) besitzt, mittels dem die Antastvorrichtung (18.1) aus einer Ruhelage, in der die erste Tastspitze (20.1) von der Membran (14) in der Messstellung beabstandet ist, in eine Antastlage, in der die erste Tastspitze (20.1) an die Membran (14) antastet, brinbgar ist, und (c) einer zweiten Antastvorrichtung (18.2), - die eine zweite Tastspitze (20.2) und - einen zweiten Antrieb (22.2) besitzt, mittels dem die zweite Antastvorrichtung (18.2) aus einer Ruhelage, in der die zweite Tastspitze (20.2) von der Membran (14) beabstandet ist, in eine Antastlage, in der die zweite Tastspitze (20.2) an die Membran (14) antastet, brinbgar ist, (d) wobei die erste Antastvorrichtung (18.1) und die zweite Antastvorrichtung (18.2) so ausgebildet sind, dass sich die erste Tastspitze (20.1) und die zweite Tastspitze (20.2) stets auf einer gemeinsamen gedachten Geraden (g) bewegen, und mit (e) einer Längenmessvorrichtung (64), die angeordnet ist zum Messen eines Abstands (d) zwischen der ersten Tastspitze (20.1) und der zweiten Tastspitze (20.2), dadurch gekennzeichnet, dass (f) die erste Antastvorrichtung (18.1) und die zweite Antastvorrichtung (18.2) ein mikroelektromechanisches System auf einem gemeinsamen Substrat bilden, und weiter gekennzeichnet dadurch, dass (g) die Längenmessvorrichtung (64) ein Interferometer umfasst, das (h) eine Lichtumlenkvorrichtung (68) aufweist, die angeordnet ist zum gemeinsamen Umlenken eines Referenzlichts (60) und eines Messlichts (61) und die mit dem Substrat (16) verbunden ist.
Membrandickenmessgerät (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - die erste Antastvorrichtung (18.1) eine erste Rückstellfeder (30.1) aufweist und - die zweite Antastvorrichtung (18.2) eine zweite Rückstellfeder (30.2) aufweist.
Membrandickenmessgerät (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Interferometer - zumindest einen Referenzlichtleiter-Eingang (56) für das Referenzlicht (60), der mit dem Substrat (16) verbunden ist, zum Anschließen eines ersten Referenzlichtleiters (58.1), - zumindest einen ersten Messlichtleiter-Eingang (54) für das Messlicht (61), der mit dem Substrat (16) verbunden ist, zum Anschließen eines ersten Messlichtleiters (52.1), - zumindest einen Referenzlichtleiter-Ausgang (57) für das Referenzlicht (60), der mit dem Substrat (16) verbunden ist, zum Anschließen eines zweiten Referenzlichtleiters (58.2), und - zumindest ein Messlichtleiter-Ausgang (55) für das Messlicht (61), der mit dem Substrat (16) verbunden ist, zum Anschließen eines zweiten Messlichtleiters (52.2), umfasst.
Membrandickenmessgerät (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Antrieb (22.1) und/oder der zweite Antrieb (22.2) einen elektrischen Direktantrieb, insbesondere einen elektrischen Kammantrieb, umfasst.
Membrandickenmessgerät (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Antrieb (22.1) einen Vorpositionierantrieb (24.1) und einen Feinpositionierantrieb (26.1), der einen elektrischen Kammantrieb umfasst, aufweist und/oder dass der zweite Antrieb (22.2) einen zweiten Vorpositionierantrieb (24.2) und einen zweiten Feinpositionierantrieb (26.2), der einen zweiten elektrischen Kammantrieb umfasst, aufweist.
Membrandickenmessgerät (10) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, gekennzeichnet durch eine Ansteuereinheit (74), die ausgebildet ist zum automatischen Durchführen eines Verfahrens mit den Schritten: (i) Ansteuern des ersten Antriebs (22.1), so dass sich die erste Tastspitze (20.1) in Bewegungsrichtung oszillierend auf die Membran (14) zu bewegt durch Anlegen einer elektrischen Spannung, die einen Gleichspannungsanteil und einen Wechselstromanteil hat, (ii) Messen einer Phasenverschiebung zwischen dem Wechselstromanteil und einem elektrischen Strom im Kammantrieb und (iii) Anhalten des ersten Antriebs (22.1), wenn die Phasenverschiebung außerhalb eines vorgegebenen Intervalls liegt.
Membrandickenmessgerät (10) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, gekennzeichnet durch eine Ansteuereinheit (74), die ausgebildet ist zum automatischen Durchführen eines Verfahrens mit den Schritten: (i) Ansteuern des ersten Antriebs (22.1), so dass sich die erste Tastspitze (20.1) auf die Membran (14) zu bewegt durch Verändern einer elektrischen Größe, wobei eine Position der ersten Tastspitze (20.1) streng monoton mit der elektrischen Größe zusammenhängt und/oder Ansteuern des zweiten Antriebs (22.2), so dass sich die zweite Tastspitze (20.2) auf die Membran (14) zu bewegt durch Verändern einer elektrischen Größe, wobei eine Position der zweiten Tastspitze (20.2) streng monoton mit der elektrischen Größe zusammenhängt, (ii) Messen einer Position der ersten Tastspitze (20.1) und/oder einer Position der zweiten Tastspitze (20.2) und Bestimmen einer Kontaktkraft, die die Abhängigkeit einer Positionsänderung von einer Änderung der elektrischen Größe angibt, und (iii) Anhalten des ersten Antriebs (22.1) und/oder des zweiten Antriebs (22.2), wenn die Kontaktkraft einen vorgegeben Schwellenwert überschreitet.