DE10356829B3

DE10356829B3 - Messnormal für interferometrische Systeme

Info

Publication number: DE10356829B3
Application number: DE2003156829
Authority: DE
Inventors: Andre Frank
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-12-05
Filing date: 2003-12-05
Publication date: 2005-08-18
Anticipated expiration: 2023-12-06

Abstract

Es wird ein Messnormal (5) zur Kalibrierung von interferometrischen Systemen vorgeschlagen, mit dem einfach und schnell eine gleichzeitige Kalibrierung von zwei interferometrischen Systemen in jeweils bis zu drei Raumrichtungen ermöglicht wird. Dabei wird eine Genauigkeit der Kalibrierung im mindestens Nanometer-Bereich erreicht. Das erfindungsgemäße Messnormal (5) besteht aus einer lichtundurchlässigen, strukturierten Schicht (10) und einem lichtdurchlässigen Substrat (25).

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Messnormal zur Kalibrierung von interferometrischen Systemen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Interferometrische Systeme eignen sich unter anderem für berührungslose Untersuchungen von Oberflächen verschiedener Objekte. Zur Erfassung der Oberflächenkontur eines zu untersuchenden Objektes trifft ein Messstrahl eines Interferometers die Oberfläche an dem zu messenden Bereich. Der von der Oberfläche reflektierte Messstrahl wird wieder dem Interferometer zugeführt und bildet zusammen mit einem Referenzstrahl ein Interferenzmuster, aus dem sich die Weglängendifferenz der beiden Strahlen ableiten lässt. Diese gemessene Weglängendifferenz der beiden Strahlen entspricht der Topographieänderung der Oberfläche.
Zur Kalibrierung von interferometrischen Systemen für dreidimensionale Vermessungen werden Messnormale mit einer strukturierten Schicht eingesetzt, deren geometrische Abmessungen genau bekannt sind. Die bei einer Vermessung eines solchen Messnormals erhaltenen Messergebnisse bezüglich der Struktur können aufgrund der bekannten Abmessungen einem genauen Abstandswert zugeordnet werden.

Aus der FR 2 703 448 A1 ist ein Messnormal aus einem Substrat und einer darauf aufgebrachten, strukturierten Polymerschicht bekannt, wobei die Struktur eine treppenartige Form mit mehreren Stufen aufweist. Die einzelnen Stufen haben dabei eine bekannte Höhe und Breite. Dabei liegt die Rauhigkeit der Strukturoberfläche in der Größenordnung von 10 Angström. Mit diesem Messnormal können Geräte zur Untersuchung von Oberflächentopographien wie beispielsweise ein Interferometer kalibriert werden.

Ein gleichzeitiges Kalibrieren von mehreren Interferometern ist mit einem bisher bekannten Messnormal nicht möglich, da die zur Kalibrierung notwendige, strukturierte Schicht nur von einer Seite her zugänglich ist.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Messnormal mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass das Messnormal einfach und schnell für eine gleichzeitige Kalibrierung von zwei interferometrischen Systemen in jeweils bis zu drei Raumrichtungen eingesetzt werden kann.

Dabei ermöglicht das erfindensgemäße Messnormal eine extrem hohe Genauigkeit der Kalibrierung im mindestens Nanometer-Bereich, abhängig je nach der Wellenlänge des verwendeten Lichts.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Messnormals sind in den Unteransprüchen angegeben.

Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 einen Querschnitt eines ersten erfindungsgemäßen Messnormals und
2 ein zweites Messnormal in Draufsicht.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Das in 1 dargestellte Messnormal 5 besteht aus einer lichtundurchlässigen Schicht 10 mit einer Oberflächenrauhigkeit im atomaren Bereich auf mindestens einer Seite der Schicht 10, wobei die Schicht 10 mindestens eine hinsichtlich ihrer Geometrie definierte Struktur 15 mit mindestens einer Kante 20, 21 aufweist. Weiter ist diese Schicht 10 mit einem lichtdurchlässigen Substrat 25 verbunden.
Zur Kalibrierung eines ersten Interferometers fallen die Lichtstrahlen 30 des Messstrahls des Interferometers senkrecht auf die Oberfläche der strukturierten Schicht 10. Dabei werden die Lichtstrahlen 30 an der Stelle 32 vor der ersten Kante 20 früher reflektiert als an der Stelle 34 nach der ersten Kante 20. Daraus resultieren unterschiedliche Interferenzmuster nach der Überlagerung der Lichtstrahlen 30 mit einem nicht dargestellten Referenzstrahl. Da die Struktur 15 hinsichtlich ihrer Geometrie genau definiert ist, ist auch die Kantenhöhe der ersten Kante 20 in vertikaler z-Richtung bekannt, d.h. das Interferometer ist in z-Richtung kalibriert. Die Genauigkeit der Kalibrierung hängt neben der Oberflächenrauhigkeit der Schicht 10 auch von der Wellenlänge des verwendeten Lichts ab. Je kurzwelliger das verwendete Licht, desto genauer wird die Kalibrierung. Bei einer verwendeten Wellenlänge von 500 nm beispielsweise erfolgt die Kalibrierung mit einer Genauigkeit im Bereich von einigen wenigen nm.
In einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messnormals hat die Struktur auf der Schicht 10 in Draufsicht eine rechteckige Form 40 wie in 2 dargestellt. Die Struktur mit der rechteckigen Form 40 kann durch eine Erhöhung oder eine Vertiefung der Schicht 10 gebildet werden. Die daraus resultierenden Kanten 45, 50 können zur Kalibrierung der lateralen x-Richtung des Interferometers herangezogen werden, da beim Verfahren des Messstrahls in lateraler x-Richtung an den Stellen der Kanten 45, 50 jeweils Änderungen des Interferenzmusters auftreten und der Abstand der beiden Kanten 45, 50 genau bekannt ist. Allgemein kann die Struktur 15 in Draufsicht eine rotationsinvariante Form wie ein Vieleck aufweisen.
Analog ist eine Kalibrierung in lateraler y-Richtung mithilfe der entsprechenden Kanten 55, 60 möglich. Alle drei Raumrichtungen des Interferometers sind somit kalibrierbar.
Ein zweites Interferometer kann anschließend bzw. gleichzeitig mit dem erfindungsgemäßen Messnormal 5 ebenso in allen drei Raumrichtungen kalibriert werden, ohne dass das erste Interferometer entfernt oder in seiner Position verändert werden muss.
Dabei ist das zweite Interferometer derart positioniert, dass die Lichtstrahlen 35 des Messstrahls des zweiten Interferometers nach einem Durchgang durch das lichtdurchlässige Substrat 25 auf die dem Substrat 25 zugewandten Seite der strukturierten Schicht 10 auftreffen. Die Kanten 20, 22, die für die Lichtstrahlen 30 des ersten Interferometers eine Vertiefung darstellen, stellen für die Lichtstrahlen 35 des zweiten Interferometers eine Erhöhung dar und umgekehrt.
Eine Kalibrierung des zweiten Interferometers in allen drei Raumrichtungen ist wie mit dem oben beschriebenen Verfahren für das erste Interferometer genauso möglich. Da zur Kalibrierung der beiden Interferometer dieselbe strukturierte Schicht 10 mit genau bekannten geometrischen Abmessungen, insbesondere bezüglich der Dicke der Schicht 10, benutzt wird, kann die relative Position der beiden interferometrischen Systeme zueinander festgestellt werden.
Wird nach einer Kalibrierung der beiden interferometrischen Systeme das Messnormal 5 durch ein Untersuchungsobjekt ersetzt, kann die Oberflächentopographie des Objektes von zwei Seiten gleichzeitig bestimmt werden.
Die Lichtdurchlässigkeit des Substrats 25 bzw. die Lichtundurchlässigkeit der Schicht 10 bezieht sich hier auf den Wellenlängenbereich der eingesetzten Strahlen 30, 35. Geeignete Materialen für das Substrat 25 können Glas, Magnesiumoxid (MgO) oder Saphir sein. Die lichtundurchlässige Schicht 10 kann aus Kupferoxid (CuO), Gold (Au), Eisen (Fe), Chrom (Cr), Aluminium (Al) oder Kupfer (Cu) bestehen.
Bei einer möglichen Herstellungsmethode des erfindungsgemäßen Messnormals 5 wird das Substrat 25 durch eine Abtragung mit einer gewünschten Struktur 15 versehen. Die Abtragung kann durch ein chemisches Ätzen, ein Plasmaätzen oder durch einen Laser erfolgen. Eine Aufbringung der Schicht 10 mithilfe eines Molekularstrahls, eines CVD-Verfahrens (Chemical Vapor Deposition) oder eines epitaktischen Verfahrens sorgt für eine sehr gut kontrollierbare Schichtdicke mit einer Oberflächenrauhigkeit in atomarer Größenordnung. Typischerweise beträgt die Dicke der Schicht 10 etwa 1 bis 100 nm. Sie kann innerhalb des Messnormes 5 konstant sein, oder innerhalb des genannten Bereichs variieren. In beiden Fällen ist der Verlauf der Dicke der Schicht 10 in lateralen Richtungen bekannt.
Die lichtundurchlässige Schicht 10 kann auf der dem Substrat 25 abgewandten Seite mit einer in 1 nicht dargestellten lichtdurchlässigen Schicht verbunden sein, um beispielsweise die mechanische Stabilität des Messnormals 5 zu verbessern.

Claims

Messnormal zur Kalibrierung von interferometrischen Systemen, bestehend aus einer lichtundurchlässigen Schicht (10) mit einer Oberflächenrauhigkeit im atomaren Bereich auf mindestens einer Seite der Schicht (10), wobei die Schicht (10) mindestens eine hinsichtlich ihrer Geometrie definierte Struktur (15) mit mindestens einer Kante (20, 22; 45, 50, 55, 60) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (10) mit einem lichtdurchlässigen Substrat (25) verbunden ist.
Messnormal nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur (15) eine Erhöhung oder eine Vertiefung aufweist und in Draufsicht die Form eines Vieleckes, bevorzugterweise die eines Rechteckes (40), hat.
Messnormal nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf der Dicke der Schicht (10) in lateralen Richtungen bekannt ist.
Messnormal nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Schicht (10) größer als 1 nm, bevorzugterweise 1 nm bis 100 nm, beträgt.
Messnormal nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das lichtdurchlässige Substrat (25) aus Glas, MgO oder Saphir besteht.
Messnormal nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtundurchlässige Schicht (10) aus CuO, Au, Fe, Cr, Al oder Cu besteht.