DE19511926A1

DE19511926A1 - Verfahren zur Prüfung technischer Oberflächen mit Hilfe von computererzeugten Hologrammen

Info

Publication number: DE19511926A1
Application number: DE1995111926
Authority: DE
Inventors: Johannes Prof Dr Schwider
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-03-31
Filing date: 1995-03-31
Publication date: 1996-10-02

Description

Stand der Technik

Zum Stand der Technik ist zu sagen, daß sich der Einsatz der interferometrischen Meßtechnik zur Prüfung der Makrogeometrie meist auf die Prüfung optischer Flächen mit hoher Genauigkeit beschränkt. Zwar werden technische Planflächen wie z. B. Si-wafer und andere Planflächen schon mit streifender Inzidenz geprüft. Diese Verfahren beschränken sich aber auf plane Flächen. Hier setzt aber unser Ansatz an, indem beliebige aber regelmäßige Oberflächen einer Messung mit hoher Genauigkeit zugänglich gemacht werden sollen

Ausführungsbeispiel

Es handelt sich um ein interferometrisches Prüfverfahren für technische Oberflächen mit verschiedenartigen Profilen und Geometrien, das mit synthetischen diffraktiven Referenzmasken (Computer Generierte Hologramme: CGH) arbeitet. Hierbei soll der Einsatz von Computer Generierten Hologrammen eine schnelle und berührungsfreie Absolutprüfung der Makrogeometrie technischer Werkstücke ermöglichen.

An einem Ausführungsbeispiel soll der Einsatz neuartiger computer-erzeugter Masken in IR- Interferometem zur 3D-Profilmessung erläutert werden. Die computer-erzeugten Masken oder Hologramme (CGH) beinhalten hierbei die Information über ein Referenzobjekt. Das Werkstück soll dann in dem Interferometer mit dieser Referenz verglichen werden. Es werden also die Abweichungen des Werkstücks von der Sollform in 3D-Qualität mit extrem hoher Meßgeschwindigkeit und Genauigkeit erfaßt.

Insbesondere wird auch daran gedacht von einer CAD-erzeugten Struktur jeweils ein oder mehrere CGH′s in ein IR-Interferometer einzubringen.

Das interferometrische Prinzip beruht auf der "grazing incidence interferometry" (streifende Inzidenz) (Fig. 1). Die dabei verwendeten CGH′s wirken als Strahlenteiler und Vereiniger. Die Nullte Beugungsordnung des Strahlteilers läuft unbeeinflußt von diesem in der ursprünglichen Richtung weiter. Eine der gebeugten Wellen trifft streifend auf das Werkstück und wird dort reflektiert und schließlich am Ort eines zweiten CGH′s mit der nullten Ordnung überlagert. Die CGH′s sind derart gestaltet, daß sie an das Objekt angepaßte Wellenfronten generieren, die zusammen mit dem zweiten CGH einen Nulltest ermöglichen. Dabei ist eine spatiale Filterung vonnöten, um Störlicht zu beseitigen, oder mit anderen Worten: die üblichen kohärent optischen Techniken sind sinngemäß auf dieses, Problem anzuwenden. Wie in Fig. 1 angedeutet, lassen sich auch komplexe Oberflächenstrukturen untersuchen. Im einfachsten Falle hat dabei das Objekt einen gleichartigen Querschnitt über die gesamte Länge.

In diesem Fall sind durch die Beschränkung der Dimensionalität die Justierprobleme am geringsten. Jedoch lassen sich auch komplexere Geometrien mit einer solchen Methode vermessen. Allerdings muß man eventuelle Abschattungen und ähnliche Probleme beim Design der CGH′s berücksichtigen. Dabei ist auch denkbar, daß senkrechte Flächenstücke mit erfaßt werden.

Noch ein Wort zur Genauigkeit und der freien Parameterwahl beim Entwurf descomputer erzeugten Hologramms. Das soll an dem einfachsten Fall einer ebenen Fläche behandelt werden:

Ein Gitter beugt eine ebene Welle um den Winkel µ:

g sin(u)= mλ

Bei schräger Inzidenz unter dem Winkel u ergibt sich eine Empfindlichkeit von

Mithin korrespondiert der Abstand zweier Interferenzstreifen mit einer Oberflächenabweichung von:

wobei man im allgemeinen sich mit in = 1 begnügen und nur in Sonderfällen eine höhere Beugungsordnung verwenden wird. Man hat also in weiten Grenzen die Empfindlichkeit durch die Wahl der Gitterkonstanten in der Hand.

Man bezahlt allerdings geringe Empfindlichkeit (große Rauhigkeiten des Objekts bei der Prüfung) mit starken anamorphotischen Verzerrungen der Geometrie in einer Richtung. Dazu soll nun ein Beispiel folgen: g = 50 µm, λ = 3.4 µm ergibt einen Streifen für 25 µm Oberflächenabweichung und einen Winkel von 86 Grad, was bei einer Werkstücklänge von 0.5 m eine Bildhöhe von 34 mm bedeutet. Hier wird man also im Abbildungsstrahlengang mit anamorpohotischen Lösungen eine Anpassung an den Detektor suchen bzw. über eine Entzerrung durch entsprechende Software eine vernünftige Bildgeometrie erzeugen. Bei optoelektronischen Lösungen bei der Auswertung sind ohne weiteres 1150 Streifenabstand rms-Genauigkeiten zu erwarten, weshalb die Makrogeometrie im µm-Bereich erfaßbar ist.

Die Flexibilität des Verfahrens soll an einem einprägsamen Beispiel erläutert werden: Es soll ein Zylinder innen und außen gleichzeitig geprüft werden. In diesem Fall wird man zwei Axicons (das sind rotationssymmetrische CGH′s mit äquidistanten Ringzonen) verwenden und die beiden ersten Beugungsordnungen zur Beleuchtung der Objektoberflächen einsetzen. Man erhält dann neben der Rundheit und anderen Oberflächenfehlern auch Aussagen über die relative Lage der Symmetrieachsen.

Noch eine Bemerkung zur Wahl der Wellenlänge: Für rauhe Flächen sollte die Wellenlänge möglichst groß sein, um die Makrogeometrie trotzdem prüfen zu können.

Jedoch ist die Rauhigkeit der Oberfläche des Prüflings nicht das einzige Argument für eine Vergrößerung der Wellenlänge zumal die Genauigkeit nur von der lokalen Gitterkonstanten im CGH abhängt. Vielmehr kann man durch eine größere Wellenlänge bei gleichbleibender Empfindlichkeit eine Herabsetzung der anamorphotischen Verzerrung erreichen. Durch eine größere Flexibilität in der Wahl der Wellenlänge läßt sich der Anwendungsbereich bedeutend erweitern.

Claims

1. Verfahren zur interferometrischen Prüfung von technischen Oberflächen dadurch gekennzeichnet, daß das Licht einer kohärenten Lichtquelle ein computer generiertes und mit lithographischen Techniken aufgezeichnetes Hologramm oder Beugungsmaske derart beleuchtet, daß das Licht durch Beugung an der Maske in einem geeigneten Teilverhältnis geteilt wird und daß das ungebeugte Licht, welches die Maske ohne Ablenkung passiert, als Referenzwelle verwendet wird und daß das gebeugte Licht unter schräger Inzidenz auf die Prüflingsfläche trifft und dort reflektiert wird und danach auf ein zweites computer erzeugtes Hologramm trifft, an welchem durch Beugung die Referenzwelle mit der Prüflingswelle zur Interferenz gebracht wird, derart daß ein niederfrequentes räumliches Interferenzmuster entsteht, dessen Auswertung die Information über die Makrogeometrie des Prüflings ergibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die einfallende Welle eine Planwelle und die austretende über den Prüfling gelaufene Teilwelle ebenfalls nahezu plan ist und daß die Abbildung und Auswertung von Planwellenfeldern erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß zur Auswertung der Interferenzaufnahmen eines der computer-erzeugten Hologramme axial, d. h. in Richtung der Wellennormalen der Referenzwelle, verschoben wird, derart daß das Interferenzbild um mindestens eine Periode variiert und daß die Intensitäten mit Detektorfeldern aufgenommen und zur Verarbeitung in einem angeschlossenen Computer gespeichert werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1-3 dadurch gekennzeichnet, daß die computer-erzeugten Hologramme als Amplituden- oder als Phasenstrukturen ausgebildet sind.

5. Verfahren nach Anspruch 1-4 dadurch gekennzeichnet, daß zur Justage des leeren Interferometers (d. h. des Interferometers ohne Prüfling) zusätzliche Strukturen wie z. B. Fresnelzonen- und/oder Gitterstrukturen verwendet werden, wodurch Abstands- und Rotationsinformationen gewonnen werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1-5 dadurch gekennzeichnet, daß für die Prüfung der Mantelfläche von Vollzylindern und die Prüfung der Mantel-Innen und Außenflächen von Hohlzylindern spezielle rotationssymmetrische Hologramme vom Axicon-Typ eingesetzt werden, wobei Axicon-Hologramme aus gleichabständigen und konzentrischen beugenden Zonen bestehen.

7. Verfahren nach Anspruch 1-6 dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Ortsfrequenz in den Computer-Hologrammen der Mikrorauhigkeit angepaßt wird, insonderheit derart, daß die Interferenzstreifen ausreichenden Kontrast zeigen.

8. Verfahren nach Anspruch 1-7 dadurch gekennzeichnet, daß die verwendete Laserwellenlänge in weiten Grenzen frei gewählt werden kann, wobei geeignete Materialien für die computer-erzeugten Hologramme verwendet und die Bildaufnehmer spektral angepaßt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 1-8 dadurch gekennzeichnet, daß sich die beugenden Strukturen zur Prüfung von komplexen Objekten auch gegenseitig überlagern können und daß eine geeignete kohärente Filterung zur Erzeugung einer eindeutigen Interferenzfigur herangezogen wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1-9 dadurch gekennzeichnet, daß zur Strählablenkung am computer-erzeugten Hologramm auch eine höhere bzw. auch negative erste und höhere Ordnungen eingesetzt werden.

11. Verfahren nach Anspruch 1-5, 7-9 dadurch gekennzeichnet, daß die computererzeugten Hologramme und die optische Anordnung des Interferometers derart gestaltet sind, daß sowohl das gebeugte als auch das Licht nullter Ordnung über das Objekt geführt wird und daß eine der Beugungsordnungen nur einen punktförmigen Bereich der Fläche bestrahlt, welcher dann als Referenz für das Interferogramm dient und daß das zweite Hologramm so gestaltet wird, daß eine niederfrequente Interferenzerscheinung erzeugt werden kann.

12. Verfahren nach Anspruch 1-6 dadurch gekennzeichnet, daß in hochsymmetrischen Spezialfällen das Interferometer und die zugehörigen computer-erzeugten Hologramme so gestaltet sind, daß ohne eingebrachten Prüfling seine Abweichungen gemessen und von den Prüflingsdaten abgezogen werden können.