DE4218382A1 - Optisches Profilometer zur Rauheitsmessung mit adaptiver Neigungsvoreinstellung und neuartigem Detektionssystem - Google Patents

Description

Anwendungsgebiet

Optische Profilometer werden zur Messung der Mikroform und Rauheit in der Oberflächenmeßtechnik eingesetzt. Sie tasten mit einen beugungsbegrenzten Fokus eines Laserstrahles die Oberfläche ab. Optische Prinzipien der Interferometrie, der Photometrie (Fokusdetektion), der konfokalen Abbildung oder der Triangulation führen zu einer Messung der lokalen Profilhöhe, wenn eine Relativbewegung zwischen Abtastfokus und Oberfläche stattfindet.

Stand der Technik

Bisher bekannte optische Profilometer (z. B. /4/,/5/) arbeiten gut, wenn die Mikrostruktur der Oberflächen verhältnismäßig glatt ist. Lokale Profilsteigungen, Diskontinuitäten und Rauheit innerhalb des Abtastfleckes führen jedoch zu Fehlmessungen, zu nadelförmigen Spitzen, überhöhten Kantensprüngen oder gar zum Abbruch der Messung. Dies ist jedoch für Anwendungen in der Fertigung metallischer Oberflächen in den meisten Fällen gegeben. Dadurch sind optische Profilometer bisher noch in ihrer Anwend­ barkeit begrenzt.

Zweck der Erfindung

Die Erfindung hat den Zweck, das an der rauhen Oberfläche reflektierte Licht des Abtastfokus ohne Vignettierung des gestreuten Lichtfächers oder mit möglichst geringer Vignettierung durch das Abtastobjektiv zurück in den Detektionsraum des Profilo­ meters zu leiten. In Bild 1a ist die Reflektion des fokussierten Abtaststrahles an einem geneigten Oberflächenelementes für ein konventionelles Profilometer gezeigt. In der Eintrittspupille des Abtastobjektives hat der einfallende Gaußsche Strahl eine Taille der Breite d. Das Oberflächenelement hat eine Neigung α. Der Einfallswinkel der Reflexion der Strahlachse zur Flächennormalen n ist ebenfalls α und der reflektierte Strahl verläßt das Ober­ flächenelement mit dem Ablenkwinkel 2α. Dadurch kann schon bei verhältnismäßig kleinen Winkeln α der reflektierte Strahlenkegel bzw. der divergierende Gaußsche Strahl nicht mehr, oder nur mit Vignettierung durch die Apertur des Abtastobjektives in den Detektorraum gelangen. Mit D als Durchmesser der Eintrittspupille und V als Aperturverhältnis, V = D/d, errechnet sich der maximal zulässige Winkel α_max, der den geometrischen Strahlenkegel mit dem Aperturwinkel arc sin(d/2f) unvignettiert zur Detektion kommen läßt als

α_max = arcsin( A (1-1/V)/2 ). (1)

Selbst für extrem große Aperturen A = 0,95 und Aperturverhältnis V = 2 ergibt sich nur ein sehr kleines α_max = 13,7°. Lokale Steigungen in Riefen von bearbeiteten Metalloberflächen können jedoch wesentlich größere Neigungen annehmen. Handelsübliche Profilometer haben jedoch bisher nur Aperturen von ca. A = 0,5 und Aperturverhältnisse von V < 2. Daher tritt schon für α < 6,5 Vignettierung auf. Die Erfindung der Adaptiven Neigungsvorein­ stellung verdoppelt den Winkel α_max. In Bild 1b wird der einfal­ lende Stahl durch eine adaptive Regelung in der Eintrittspupille stets soweit seitlich versetzt, daß die Strahlachse senkrecht auf ein mittleres Oberflächenelement einfällt. Dadurch bildet die reflektierte Strahlachse nach der Reflexion wieder den Winkel α. Der maximal zulässige Winkel α_maxAN ergibt sich jetzt unter sonst gleichbleibenden Bedingungen zu

α_maxAN = arcsin( A <1-1/V) ) (2)

Verglichen mit (1) ist der maximal zulässige Winkel jetzt praktisch doppelt so groß. Der Vorteil der Adaptiven Neigungsvor­ einstellung bleibt auch erhalten, wenn das Oberflächenstückchen, auf das der Fokus trifft nicht mehr eine ebene Fazette ist, sondern noch innerhalb der Fleckbreite Rauheit aufweist. Dann wird der reflektierte Gaußsche Strahl diffus aufgefächert. Die Winkelverteilung der reflektierten Strahlung ergibt sich dabei aus der Zufallsstruktur des Oberflächenprofiles und der Beugung des Lichtes und ist in allgemeiner Form nur sehr schwer zu berechnen. In jedem Falle wirkt sich jedoch die Verdoppelung des Winkels α_max für die Detektion positiv aus.

Beschreibung der Adaptiven Neigungsvoreinstellung für ein Heterodynprofilometer

Bild 2 zeigt die Realisation der adaptiven Neigungsvoreinstellung für ein Heterodynprofilometer /1/. Der Strahl des Zweifrequenzen­ lasers liefert zwei zueinander senkrecht polarisierte Teilstrah­ len ( Moden). Er wird auf einen motorisierten, geregelten Dreh­ spiegel SM fokussiert, so daß die Drehachse, der Fokus von 03 und der Fokus von 01 zusammenfallen. Dadurch kann der Abtast­ strahl in der Eintrittspupille EP des Abtastobjektives MO lateral um b versetzt werden, wie dies in Bild 1b vorausgesetzt wird. Die Bildung des Hetererodynsignals geschieht so, wie dies in /1/ ausführlich beschrieben wird: der Referenzstrahl wird durch die senkrecht zur Aufbauebene von Bild 2 polarisierte Mode des Lasers gebildet. Er läuft nach Reflexion an dem polarisierenden Strahl­ teiler PBS1 durch die Lambda-Viertelplatte QWP1 und wird dort zirkular polarisiert. Nach der Reflexion an dem Planspiegel PM und dem zweiten Durchgang durch die Lambda-Viertelplatte QWP1 ist er parallel zur Aufbauebene polarisiert und kommt durch eine Transmission an PBS1 und durch den neutralen Strahlenteiler NBS, den Polarisator POL und der Linse 02 zum Heterodyndetektor HET DET. Der Objektstrahl, der die Oberfläche abtastet, wird aus der parallel schwingenden Mode gebildet. Sie erfährt durch QWP2 eine sinngemäße Polarisationstransformation, so daß sie den Strahlen­ teiler PBS ebenfalls in Richtung HET DET verlassen kann. Durch den Polarisator POL werden beide Teilstrahlen auf gleiche Schwin­ gungsrichtung gebracht, so daß sie nach der Fokussierung durch 02 auf dem Heterodyndetektor HET DET interferieren können.

Das Regelsignal für die adaptive Einstellung des Winkels α wird über die beiden positionsempfindlichen Dioden PSD1 und PSD2 gebildet. Nach Reflexion beider Teilstrahlen an NBS wird der Referenzstrahl an dem zweiten polarisierenden Strahlenteiler PBS2 durchgelassen und gelangt zu PSD1, während der Objektsrahlengang reflektiert wird und zu PSD2 gelangt. Anstatt der positions­ empfindlichen Dioden können auch CCD-Detektoren oder entsprechende Empfänger angewendet werden. Aus der Geometrie der beiden Teil­ strahlen und ihrer Versetzungen in Bild 2 ist leicht zu erkennen, daß der Fall einer adaptiven Neigungsvoreinstellung nach Bild 1b genau dann erfüllt ist, wenn die beiden Teilstrahlen im Raum zwischen PBS1 und PBS2 aufeinanderfallen. Dies kann durch die Positionssignale der Strahlschwerpunkte der beiden positions­ empfindlichen Dioden, PSD1 und PSD2 über die Winkelstellung des Drehspiegels SM eingeregelt werden. Das Regelkriterium ist die Gleichheit der Schwerpunktsabstände auf den virtuell durch Spiegelung um die Teilerfläche des PBS2 übereinandergelegten PSDs.

Beschreibung der adaptiven Neigungsvoreinstellung für ein Photometrisches Profilometer nach dem Prinzip der Fokusdetektion

Bild 3 zeigt die Realisation der Adaptiven Neigungsvoreinstellung für ein photometrisches Profilometer /3//4//5/. Für diese Profilometer kann ein Diodenlaser oder ein Helium-Neon Laser verwendet werden. Die Parallversetzung des eintretenden Strahles in der Eintrittspupille EP geschieht auf dieselbe Weise, wie im Falle des Heterodyn Interferometers durch den motorisierten Drehspiegel SM im Brennpunkt des Objektives 01. Da der Referenz­ strahl nur zur Regelung des Drehspiegels verwendet wird und nicht mit dem Objektstrahl interferieren muß, kann der Planspiegel PM entfallen und durch die positionsempfindliche Diode PSD1 ersetzt werden. Der Objektstrahl durchläuft die Folge der Komponenten PBS, QWP2, NBS, bis zur Linse 02 in gleicher Weise, wie oben für das Heterodynprofilometer beschrieben. Die Auslenkung des Objekt­ strahles wird durch PSD2 gemessen. Dazu wird ein Teilstrahl durch den neutralen Strahlenteiler NBS ausgekoppelt.

Neues Prinzip zur Detektion der Profilhöhe

Für die Detektion der Profilhöhen kommt ein neues Prinzip zur Anwendung, das ebenfalls Teil dieser Erfindung ist. Abb.4 zeigt dieses Prinzip. Die Anordnung besteht nur aus einer Linse 02 und einem Detektorzeile (z. B. einer CCD-Zeile) oder einen flächigen Detektorarray. Da der Objektstrahl je nach dem lokalen Profil­ neigungswinkel α seitlich um v versetzt sein kann, muß der Algorithmus zur Profilhöhenbestimmung unabhängig von v sein. Der Detektor besteht daher aus einer großen Zahl voneinander unabhän­ giger Einzeldetektoren, wie dies z. B. für eine CCD-Zeile oder einen zweidimensionalen CCD Bildsensor gegeben ist. Dieser Detektor wird in einem bestimmten Abstand a vom Brennpunkt F angeordnet. Der Abstand a ist so dimensioniert, daß für den in Frage kommenden Bereich möglicher Profilhöhen der Fokus F in Achsrichtung stets auf derselben Seite des Detektorarrays bleibt. Seine Breite muß muß so dimensioniert sein, daß für alle mög­ lichen Versetzungen v die volle Strahlbreite erfaßt wird.

Die Profilhöhe h(x) wird aus folgendem Signal S berechnet:

Dabei ist I_i die auf einen Einzeldetektor der Detektoranordnung fallende Intensität. Die Hochzahl n soll ungleich 1 sein. Befin­ det sich der Laserfokus exakt auf der Oberfläche, so ergibt sich ein bestimmter Zahlenwert S₀. Mit Kalibrierfaktoren a_i, die in Kalibrierläufen bestimmt werden können ergibt sich die zu mes­ sende Höhe h:

h = a₁ (S - S₀)+a₂ ( S - S₀)² + . . . (4)

Für n = 2 und n = 0,5 ergeben sich monoton ansteigende bzw. abfallende Kennlinien mit einem sehr großen Meßbereich, wobei für n = 0,5 in Simulationen gute Rauschfreiheit erzielt wurde. Hochzahlen n größer als 1 führen zu einer größeren Rauschabhän­ gigkeit für Oberflächen, die Rauheiten innerhalb der beugungsbe­ grenzten Fleckbreite des fokussierten Abtaststrahles aufweisen.

Der neue Algorithmus zur Höhendetektion ist auch in Profilometern ohne adaptive Neigungsvoreinstellung einsetzbar. Er erfaßt die Profilhöhen unabhängig von den lokalen Profilsteigung.

Beschreibung der adaptiven Neigungsvoreinstellung für ein Konfokales Mikroskop

Bild 5 zeigt ein Profilometer nach dem Prinzip der konfokalen Mikroskopie /6/. Die Detektion der Profilhöhe geschieht hier dadurch, daß nur dann, wenn der abgebildete Fokus axial genau in der Ebene des Pinholes P liegt, maximale Intensität vom Detektor D empfangen wird. Dazu wird das Objekt in geeigneten Schritten senkrecht zur Oberfläche verschoben und dem Schritt, der das Intensitätsmaximum aufweist, die entprechende Höhe zugeordnet. Auch hier führt die Adaptive Neigungsvoreinstellung zu einer entscheidenden Signalverbesserung. Dies gilt für alle bekannten punktförmig messenden Realisationen.

Andere Realisationsmöglichkeiten der adaptiven Neigungs­ voreinstellung

Der Strahlversatz in der Eintrittspupille EP kann noch durch eine Reihe anderer Bauteilanordnungen realisiert werden.

• 1. Durch eine kurzbrennweitige Linse, deren vorderer Brennpunkt mit einem Zwischenfokus des Beleuchtungsstrahlenganges zusammen­ fällt, und die lateral verschoben wird.
• 2. Durch Kippen einer Planplatte in Parallelstrahlengang zwischen 01 und PBS1. Diese Lösung ist für die Formprüfung in /B/ verwirklicht. Sie dient dort nicht der Signalverbesserung, sondern der unverzerrten Erfassung der Objektgeometrie.
• 3. Besonders hohe Abtastgeschwindigkeiten können beim Einsatz von akustooptischen Modulatoren erreicht werden.

Anstatt den positionsempfindlichen Dioden PSD1 und PSD2 können auch andere Detktorenarrays eingesetzt werden; z. B. CCD-Zeilen oder flächige CCD-Bildsensoren.

Literatur

/l/ K.Leonhardt, K.-H.Rippert und H.J.Tiziani Mikroprofilometrie zur Bestimmung der Topographie und Rauheit technischer Oberflächen mittels Heterodyn-Laserinterferometrie. VDI Berichte NR. 749 (1989) 5.139.

/2/ K.Yoshizumi, T.Murao, J.Masui, R.Imanaka,and Y.Okino, Ultrahigh accuracy 3-D profilometer, Apll.Optics, 26 (1987) 1647.

/3/ K.Leonhardt, K.-H.Rippert und H.J.Tiziani Optische Mikroprofilometrie und Rauheitsmessung, Technisches Messen tm, 54 (1987) S. 243.

/4/ UB 16 Optisches Präzisions-Längenmeßsystem, Ulrich Breitmeier Meßtechnik GMBH, Ettlingen

/5/ RM 600 Laser Stylus, Produktinformation, Rodenstock, München

/6/ T.Wilson and C.J.R. Sheppard, Theory and Practice of Scanning Optical Microscopy, Academic Press, London, 1984.

Claims (8)

1. Optisches Profilometer zur Abtastung von Oberflächen, gekennzeichnet durch ein adaptives Regelsystem, derart, daß die Strahlachse des Abtaststrahles stets senkrecht auf dem jeweiligen Flächenelement beziehungsweise auf der entsprechenden Tangential­ ebene des Flächenelementes steht, gekennzeichnet durch ein geregeltes Verstellelement, das eine laterale Verschiebung der Strahlenbündels in der Pupille EP bewirkt, wobei die angepaßte Querverschiebung durch den Vergleich der Fleckposition auf den beiden poitionsempfindlichen Detektoren PSD1 und PSD2 bestimmt wird.

2. Optisches Profilometer nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß eine interferometrische Heterodyndetektion zur Anwendung kommt, wobei der Referenzstrahlengang, gebildet durch den polarisierenden Strahlenteiler PBS1, der Lambda­ viertelplatte QWP1 in Diagonalstellung und dem Planspiegel PM, eine Mode des Lasers führt und der Objektstrahlengang, gebildet durch die Lambdaviertelplatte QWP2, dem Abtastobjektiv und der zu messenden Oberfläche die dazu orthogonale Mode und die beiden Moden durch den neutralen Strahlenteiler NBS und dem polarisierenden Strahlenteiler PBS2 auf jeweils gesonderte positionempfindliche Dioden PSD1 und PSD2 geführt werden, die die Regelsignale für die Querauslenkung liefern.

3. Optisches Profilometer nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die adaptive Neigungsvoreinstellung in einem photometrischen Profilometer eingesetzt wird, wobei die Querauslenkung auf dieselbe Weise wie bei Heterodynprofilometer geschieht und zur Bildung des Regelsignals der direkte Strahl über den polarisierenden Strahlenteiler PBS direkt auf den positionsempfindlichen Detektor PD1 geführt wird, während der Objektstrahl über die Lambdaviertelplatte QWP2, dem Abtastobjek­ tiv MO, der zu messenden Oberfläche und dem neutralen Strahlen­ teiler auf den positionempfindlichen Detektor PSD2 läuft.

4. Optisches Profilometer nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Querverschiebung durch einen geregelten Dreh­ spiegel SM im Brennpunkt eines Kollimatorobjektives 01 bewirkt wird.

5. Optisches Profilometer nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Querverschiebung des Abtaststrahles in der Pupille durch eine Verschiebelinse erfolgt, deren vordere Brennebene mit einem Zwischenfokus des Beleuchtungsstrahlenganges zusammenfällt.

6. Optisches Profilometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Querverschiebung in der Pupille durch eine Kippung einer Planplatte im Parallelstrahlengang des Beleuchtungs­ strahlenganges erfolgt.

7. Optisches Profilometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Querverschiebung in der Pupille durch akustooptische Ablenker erfolgt.

8. Optisches Profilometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Detektion der Profilhöhe durch die ein Diodenarray erfolgt, das gegenüber der Fokusebene des detektierten Fokus nach Bild 3 und Bild 4 defokussiert ist, wobei die Bildung des Höhensignales nach Gleichung (3) und (4) erfolgt. Die Profilhohe wird dabei nicht von der Profilsteigung und dem Regelzustand der adaptiven Neigungsvoreinstellung beeinflußt.