DE102016107443B4

DE102016107443B4 - Verfahren zur topographischen Oberflächenmessung und Oberflächenmessgerät zur topographischen Oberflächenmessung

Info

Publication number: DE102016107443B4
Application number: DE102016107443.8A
Authority: DE
Inventors: Gerd Ehret; Michael Schulz
Original assignee: Bundesministerium fuer Wirtschaft und Energie
Current assignee: Bundesministerium fuer Wirtschaft und Energie
Priority date: 2016-04-21
Filing date: 2016-04-21
Publication date: 2021-05-06
Anticipated expiration: 2036-04-22
Also published as: DE102016107443A1

Abstract

Verfahren zur topographischen Oberflächenmessung, insbesondere zum Vermessen von nahezu planen und/oder gekrümmten Oberflächen (12), mit den Schritten:(a) Richten eines Lichtstrahls (28) eines Ausrichtsensors (20) auf einen Auftreffpunkt (P) einer zu vermessenden Oberfläche (12) eines Prüflings (14),(b) geführtes Bewegen zumindest eines Teils der Ausrichtvorrichtung (18), so dass sich der Lichtstrahl (28) relativ zum Prüfling (14) über die zu vermessenden Oberfläche bewegt,(c) Regeln einer Neigung (σ14) des Prüflings (14), so dass eine lokale Oberfläche (12) des Prüflings (14) im Auftreffpunkt (P) unter einem vorgegebenen Winkel (a) zur Ausrichtvorrichtung (18) orientiert ist, und(d) Messen der Neigung (σ14) des Prüflings (14) während des Bewegens, dadurch gekennzeichnet, dass(e) die Neigung (σ14) des Prüflings (14) mittels zumindest eines Tiltmeters (36) gemessen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur topographischen Oberflächenmessung, insbesondere zum Vermessen von nahezu planen und/oder gekrümmten Oberflächen, mit den Schritten (a) Richten eines Lichtstrahls einer Ausrichtvorrichtung, insbesondere eines Ausrichtsensors der Ausrichtvorrichtung, auf einen Auftreffpunkt einer zu vermessenden Oberfläche eines Prüflings, (b) geführtes Bewegen zumindest eines Teils der Ausrichtvorrichtung, sodass sich der Lichtstrahl relativ zum Prüfling über die zu vermessende Oberfläche bewegt, (c) Regeln einer Neigung des Prüflings, sodass eine lokale Oberfläche des Prüflings im Auftreffpunkt unter einem vorgegebenen Winkel zur Ausrichtvorrichtung orientiert ist, und (d) Messen der Neigung des Prüflings während des Bewegens.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Oberflächenmessgerät zur topographischen Oberflächenmessung, insbesondere von nahezu planen oder auch gekrümmten Flächen mit (i) einer Prüfling-Aufnahme zum Aufnehmen eines Prüflings, (ii) einer Ausrichtvorrichtung, die einen Ausrichtsensor, insbesondere einen Ausrichtautokollimator, zum Erfassen einer Neigung des Prüflings und einen Aktuator, der angeordnet ist zum Verändern einer Neigung des Prüflings, sodass der Prüfling relativ zum Ausrichtsensor ausrichtbar ist, umfasst, (iii) einer Linearführung zum Bewegen zumindest eines Teils des Oberflächenmessgeräts, sodass der Lichtstrahl über eine Oberfläche des Prüflings bewegbar ist, (iv) einer Regelung, die eingerichtet ist zum automatischen Regeln einer Neigung des Prüflings, sodass eine lokale Oberfläche des Prüflings in einem Auftreffpunkt des Lichtstrahls unter einem vorgegebenen Winkel zur Ausrichtvorrichtung orientiert ist und einem Neigungsmesser zum Messen der Neigung.
Ein derartiges Verfahren ist aus der US 2007 / 0 193 814 A1 bekannt. Bei dem dort beschriebenen Verfahren wird, beispielsweise mittels eines Piezoaktors, die Prüfling-Aufnahme so bewegt, dass die Oberfläche der Probe im Auftreffpunkt stets senkrecht zu einem Laserstrahl verläuft, der auf den Prüfling ausgesandt wird. Die resultierende Neigung der Prüfling-Aufnahme wird mittels eines zweiten Autokollimators bestimmt. Nachteilig an diesem Vorgehen ist die begrenzte Samplingrate des Autokollimators und der hohe Preis einer derartigen Messvorrichtung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hochgenaue Vermessung der topographischen Oberfläche einfacher, genauer und kostengünstiger zu ermöglichen.
Die Erfindung löst das Problem durch ein gattungsgemäßes Verfahren, bei der die Neigung des Prüflings mittels eines Tiltmeters gemessen wird. Gemäß einem zweiten Aspekt löst die Erfindung das Problem durch ein gattungsgemäßes Oberflächenmessgerät, bei dem der Neigungsmesser ein Tiltmeter aufweist.
Vorteilhaft an der Erfindung ist, dass die hochgenaue Messung mit deutlich einfachem und damit kostengünstigerem Messgerät möglich ist, ohne dass die Messgenauigkeit reduziert wird.
Ein weiterer Vorteil ist, dass die Messung schneller erfolgen kann. Der Grund dafür ist, dass Tiltmeter in der Regel eine höhere Messgeschwindigkeit erlauben als messende Autokollimatoren.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren den Schritt des Bestimmens der Oberflächentopographie aus der Neigung des Prüflings.
Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter einem Tiltmeter insbesondere ein Neigungsmesser verstanden, dessen Messunsicherheit zumindest 1 nrad und/oder 0,2 milliarcsec beträgt. Insbesondere ist das Tiltmeter ausgebildet zum Messen seiner Neigung zur Vertikalen und/oder zur Horizontalen.
Günstig ist es, wenn ein Tiltmeter verwendet wird, das eine Empfindlichkeit von zumindest 5 arcsec pro Volt, vorzugsweise zumindest 10 arcsec pro Volt, aufweist. Derartige hochauflösende Tiltmeter erlauben eine gleichzeitig hohe Messgenauigkeit und eine hohe Messgeschwindigkeit.
Vorzugsweise ruht das Tiltmeter relativ zum Prüfling und/oder relativ zur Prüfling-Aufnahme. Das hat den Vorteil, dass ein Einfluss der Erdkrümmung auf das Messergebnis ausgeschlossen werden kann. Ein weiterer Vorteil ist, dass keine Messunsicherheit durch das Verschieben des Tiltmeters relativ zum Prüfling und/oder der Prüfling-Aufnahme entstehen kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Regeln der Neigung des Prüflings so, dass die Oberfläche im Auftreffpunkt parallel zu einer Referenzrichtung verläuft. Die Referenzrichtung entspricht einer Richtung, in die die Referenzrichtung einen Lichtstrahl aussendet, der auf den Prüfling umgelenkt wird. Es ist möglich, nicht aber notwendig, dass die Referenzrichtung horizontal verläuft. Alternativ kann die Referenzrichtung auch vertikal oder winklig dazu verlaufen. Eine horizontal verlaufende Referenzrichtung hat den Vorteil, dass eine Ausrichtung der Linearführung besonders einfach möglich ist.
Es ist möglich, nicht aber notwendig, dass genau ein Tiltmeter zur Messung der Neigung des Prüflings verwendet wird.
Vorzugsweise umfasst das Messen der Neigung die Schritte eines Aufnehmens von ersten Neigungsmesswerten mit dem Tiltmeter an einer ersten Stelle, eines Aufnehmens von zweiten Neigungsmesswerten mit einem zweiten Tiltmeter, das an einer von der ersten Stelle (S1) beabstandeten zweiten Stelle angeordnet ist, und eines Berechnens der Neigung aus den ersten Neigungsmesswerten und den zweiten Neigungsmesswerten. Das zweite Tiltmeter kann an einem anderen Element des Oberflächenmessgeräts als das erste Tiltmeter befestigt sein, insbesondere kann das zweite Tiltmeter am Ausrichtsensor, der die Referenzrichtung vorgibt, angeordnet sein. Auf diese Weise kann eine etwaige Verkippung des Ausrichtsensors zum Prüfling erfasst und korrigiert werden. Diese Verkippung kann z.B. durch Gebäudebewegungen verursacht werden.
Vorzugsweise umfasst der Teil der Ausrichtvorrichtung, die geführt wird, ein Pentaprisma.
Besonders bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren an einer EUV-Optik durchgeführt, also einer Optik, die für die Verwendung im extrem ultravioletten Strahlungsspektrum ausgebildet ist. Insbesondere ist die EUV-Optik eine Optik, die bei einer Wellenlänge von 11,5 bis 15,5 Nanometer, insbesondere 13,5 Nanometer, einsetzbar ist. An eine derartige Optik werden sehr hohe Anforderungen hinsichtlich der Ebenheit bzw. Formtreue gestellt. Alternativ wird das erfindungsgemäße Verfahren bevorzugt an einer Synchrotron-Optik oder einer XFEL-Optik durchgeführt, also einer Optik, die zur Verwendung in einem Röntgenlicht-Freie-Elektronen-Laser ausgebildet ist. Beispielsweise ist die Optik ein Spiegel.
Alternativ wird das erfindungsgemäße Verfahren vorzugsweise an einem Flugzeugbauteil durchgeführt.
Günstig ist es, wenn der Ausrichtsensor als Nullinstrument ausgebildet ist. Hierunter wird insbesondere verstanden, dass der Ausrichtsensor so ausgebildet ist, dass er hinsichtlich einer Abweichung von einer vorgegebenen Lage diese erfasst, ohne dass der Winkel, um den die Prüfling-Aufnahme von dem vorgegebenen Winkel abweicht, bekannt sein muss.
Ein erfindungsgemäßes Oberflächenmessgerät besitzt vorzugsweise ein zweites Tiltmeter, das vom ersten Tiltmeter beabstandet angeordnet ist. Beispielsweise ist das Tiltmeter relativ zum Ausrichtsensor befestigt. So kann eine Durchbiegung der Prüfling-Aufnahme erkannt und gegebenenfalls kompensiert werden. Günstig ist es, wenn ein Abstand zwischen dem ersten Tiltmeter und dem zweiten Tiltmeter zumindest der halben maximalen Ausdehnung des Prüflings entspricht.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt

1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Oberflächenmessgeräts zum Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

1 zeigt ein erfindungsgemäßes Oberflächenmessgerät 10 zur topographischen Oberflächenmessung einer Oberfläche 12, eines Prüflings 14. Das Oberflächenmessgerät 10 besitzt eine Prüfling-Aufnahme 16, auf der der Prüfling 14 angeordnet ist, sowie eine Ausricht-Vorrichtung 18. Die Ausricht-Vorrichtung 18 besitzt einen Ausrichtsensor 20, der beispielsweise durch einen Autokollimator gebildet sein kann, und einen Aktuator 22, der im vorliegenden Fall durch einen Piezo-Aktuator gebildet ist. Wird der Aktuator 22 betätigt oder verändert, so ändert sich eine Neigung σ_1\6 der Prüfling-Aufnahme 16 und damit eine Neigung σ₁₄ des Prüflings zur Horizontalen.
Das Oberflächenmessgerät 10 weist eine Linearführung 24 auf, mittels der eine Umlenkvorrichtung 26, beispielsweise eine Doppelspiegeleinheit oder ein Pentaprisma, linear bewegbar befestigt ist. Ein vom Ausrichtsensor 20 ausgehender Lichtstrahl 28 wird von der Umlenkvorrichtung 26 auf die Oberfläche 12 des Prüflings 14 reflektiert. Der reflektierte Lichtstrahl gelangt in den Ausrichtsensor 20 zurück. Haben die beiden Lichtstrahlen, nämlich der vom Ausrichtsensor 20 ausgehende Lichtstrahl und der reflektierte Lichtstrahl, einen Versatz zueinander, so gibt der Ausrichtsensor 20 ein Signal über eine Messleitung 30 ab, das diese Tatsache kodiert. Die Messleitung 30 ist mit einer Regelung 32 verbunden. Statt der Messleitung 30 kann auch ein Funksignal verwendet werden.
Erfasst die Regelung 32, dass die beiden oben genannten Lichtstrahlen nicht übereinanderliegen, so gibt sie über eine zweite Messleitung 34 ein Ansteuersignal an den Aktuator 22 ab, der daraufhin die Neigung σ_16' so verändert, dass die Abweichung der beiden Lichtstrahlen minimiert wird. In anderen Worten regelt die Regelung 32 den Aktuator 22 so, dass der Lichtstrahl 28 hinter der Umlenkvorrichtung 26 stets senkrecht in einem Auftreffpunkt P auf die Oberfläche 12 auftrifft. Dadurch ist die Oberfläche 12 in der Umgebung des Auftreffpunkts P unter einem vorgegebenen Winkel α orientiert, wobei hier a=0° relativ zur Vertikalen gilt und der Lichtstrahl von dem Auftreffpunkt P ebenfalls 0° zur Vertikalen verläuft.
Die Neigung σ wird von einem Tiltmeter 36 erfasst. Beispielsweise ist das Tiltmeter 36 ausgebildet zum Erfassen einer Abweichung der Neigung σ₁₆ relativ zur Vertikalen oder zur Horizontalen, das ist aber nicht notwendig. Vorzugweise hat das Tiltmeter 36 eine Messunsicherheit von höchstens 300 nrad. Günstig ist es zudem, wenn das Tiltmeter eine Empfindlichkeit hat, die zumindest 10 arcsec pro Volt beträgt. Besonders günstig ist es, wenn die Empfindlichkeit zumindest 25 arcse pro Volt beträgt.
Das Tiltmeter 36 erfasst die Neigung σ₃₆, beispielsweise relativ zur Vertikalen oder zur Horizontalen, in regelmäßigen Zeitabschnitten. Aus den so gemessenen Neigungen σ₃₆ wird die Neigung σ₁₆ der Prüfling-Aufnahme 16 und daraus die Neigung σ₁₂ (p) der Oberfläche 12 im Auftreffpunkt P berechnet. Simultan dazu wird die Position X₂₄ der Umlenkvorrichtung 26 entlang der Linearführung 24 gemessen. Aus der Position X₂₄ und der jeweiligen Neigung σ₁₂ (p) wird die Oberflächentopographieänderung Δz(x) berechnet.
Als Tiltmeter 36 können beispielsweise Drei-Platten-Kondensatoren verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Tiltmeter 36 als Lasergyroskop ausgebildet sein, in diesem Fall wird der Einfluss der Erdrotation herausgerechnet.
Im vorliegenden Fall besitzt das Oberflächenmessgerät 10 neben dem ersten Tiltmeter 36 am Ort S1 ein zweites Tiltmeter 38 am Ort S2, dass mit dem Ausrichtsensor verbunden ist. Ändert sich die Neigung im Ort S1 anders als im Ort S2, so deutet das auf eine Durchbiegung der Prüfling-Aufnahme 16 hin, die korrigiert wird.
Bezugszeichenliste

10: Oberflächenmessgerät
12: Oberfläche
14: Prüfling
16: Prüfling-Aufnahme
18: Ausrichtvorrichtung
20: Ausrichtsensor
22: Aktuator
24: Linearführung
26: Umlenkvorrichtung/Pentaprisma, Doppelspiegeleinheit
28: Lichtstrahl
30: Messleitung
32: Regelung
34: Messleitung
36: Tiltmeter
38: zweites Tiltmeter
P: Auftreffpunkt
σ: Neigung

Claims

Verfahren zur topographischen Oberflächenmessung, insbesondere zum Vermessen von nahezu planen und/oder gekrümmten Oberflächen (12), mit den Schritten: (a) Richten eines Lichtstrahls (28) eines Ausrichtsensors (20) auf einen Auftreffpunkt (P) einer zu vermessenden Oberfläche (12) eines Prüflings (14), (b) geführtes Bewegen zumindest eines Teils der Ausrichtvorrichtung (18), so dass sich der Lichtstrahl (28) relativ zum Prüfling (14) über die zu vermessenden Oberfläche bewegt, (c) Regeln einer Neigung (σ14) des Prüflings (14), so dass eine lokale Oberfläche (12) des Prüflings (14) im Auftreffpunkt (P) unter einem vorgegebenen Winkel (a) zur Ausrichtvorrichtung (18) orientiert ist, und (d) Messen der Neigung (σ₁₄) des Prüflings (14) während des Bewegens, dadurch gekennzeichnet, dass (e) die Neigung (σ₁₄) des Prüflings (14) mittels zumindest eines Tiltmeters (36) gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Regeln der Neigung (σ₁₄) des Prüflings (14) so erfolgt, dass die Oberfläche (12) im Auftreffpunkt (P) parallel zu einer Referenzrichtung verläuft, die horizontal oder vertikal verläuft.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messen der Neigung die folgenden Schritte umfasst: - Aufnehmen von ersten Neigungsmesswerten mit dem Tiltmeter an einer ersten Stelle (S1), - Aufnehmen von zweiten Neigungsmesswerten mit einem zweiten Tiltmeter, das an einer von der ersten Stelle (S1) beabstandeten zweiten Stelle (S2) angeordnet ist, und - Berechnen der Neigung aus den ersten Neigungsmesswerten und den zweiten Neigungsmesswerten.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es an einer EUV-Optik durchgeführt wird.
Oberflächenmessgerät (10) zur topographischen Oberflächenmessung, insbesondere von nahezu planen oder auch gekrümmten Flächen, mit (i) einer Prüfling-Aufnahme (16) zum Aufnehmen eines Prüflings (14), (ii) einer Ausrichtvorrichtung (18), die - einen Ausrichtsensor (20) zum Erfassen einer Neigung (σ₁₄) des Prüflings (14) und - einen Aktuator (22), der angeordnet ist zum Verändern der Neigung (σ14) des Prüflings (14), so dass der Prüfling (14) relativ zum Ausrichtsensor (20) ausrichtbar ist, umfasst, (iii) einer Linearführung (24) zum Bewegen zumindest eines Teils der Ausrichtvorrichtung (18), so dass der Lichtstrahl (28) über eine Oberfläche (12) des Prüflings (14) bewegbar ist, (iv) einer Regelung, die eingerichtet ist zum automatischen Regeln der Neigung (σ₁₄) des Prüflings (14), so dass eine lokale Oberfläche (12) des Prüflings (14) in einem Auftreffpunkt (P) des Lichtstrahls (28) unter einem vorgegebenen Winkel (α) zur Ausrichtvorrichtung (18) orientiert ist, und (v) einem Neigungsmesser, der zum Messen der Neigung (σ14) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass (vi) der Neigungsmesser ein Tiltmeter (36) aufweist.
Oberflächenmessgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung eingerichtet ist zum automatischen Regeln der Neigung (σ14) des Prüflings (14), so dass die lokale Oberfläche (12) des Prüflings (14) in dem Auftreffpunkt (P) des Lichtstrahls (28) horizontal verläuft.
Oberflächenmessgerät nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausrichtsensor (20) als Nullinstrument ausgebildet ist.
Oberflächenmessgerät nach einem der Ansprüche 5 bis 7, gekennzeichnet durch ein zweites Tiltmeter (38), das vom ersten Tiltmeter (36) beabstandet angeordnet ist.
Oberflächenmessgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand zwischen dem ersten Tiltmeter (36) und dem zweiten Tiltmeter (38) zumindest der halben maximalen Ausdehnung des Prüflings (14) entspricht.
Oberflächenmessgerät nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Tiltmeter (38) an einem anderen Element des Oberflächenmessgerätes (10), insbesondere am Ausrichtsensor (20), angeordnet ist.