WO1992008102A1 - Device for measuring linear dimensions on a patterned surface - Google Patents

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WO1992008102A1
WO1992008102A1 PCT/EP1991/002089 EP9102089W WO9208102A1 WO 1992008102 A1 WO1992008102 A1 WO 1992008102A1 EP 9102089 W EP9102089 W EP 9102089W WO 9208102 A1 WO9208102 A1 WO 9208102A1
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WO
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measuring
resonator
shock absorber
probe tip
oscillator
Prior art date
Application number
PCT/EP1991/002089
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German (de)
French (fr)
Inventor
Karlheinz Bartzke
Rolf Thiemer
Erhard Mende
Bernhard Retschke
Wolfgang Krausse
Manfred Weihnacht
Günter HELKE
Joachim Heim
Eike Wehrsdorfer
Original Assignee
Jenoptik Carl Zeiss Jena Gmbh
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/28Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring contours or curvatures
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/34Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for measuring linear dimensions on a structured surface of a measurement object, in which one is arranged perpendicularly movable relative to the surface of the measurement object
  • - probe tip is coupled to a resonator which is connected to an oscillator circuit, a control circuit also being provided which is connected to actuating elements for the resonator acting perpendicularly to the surface of the test object.
  • the invention is particularly applicable to two-coordinate measuring devices, measuring devices for ultra-precision machining technology, probe cutters, measuring devices for measuring microelectronic semiconductor structures, roughness measuring devices, profile measuring devices and for producing microstructures on surfaces.
  • optical arrangements For the measurement of linear dimensions of semiconductor structures, optical arrangements are known which achieve a linear resolution of approximately 0.7 ⁇ m 0 with the aid of optical imaging systems and optoelectronic receivers.
  • the measuring process takes place in a vacuum, so that the vacuum clamping which is customary for wafers cannot be used, and therefore measurements on wafers with these arrangements can only be carried out to a limited extent.
  • measurement errors arise here due to electron-optical imaging errors (Reimer, L .; Pfefferkorn, G .: "scanning electron microscopy",
  • a control circuit connected to the measuring circuit and an actuating unit carrying the piezo oscillator are used to determine the profile.
  • a disadvantage of this arrangement is that the cube-shaped geometry of the piezo oscillator shown in the measuring arrangement does not produce a harmonic oscillation enables and that the probe needle, which is massive in comparison to the piezo oscillator, dampens the natural resonance of the piezo oscillator.
  • the measurement method used for the resonance frequency difference measurement is slow in time and relatively insensitive and is therefore less suitable as a highly dynamic and at the same time highly sensitive measurement principle (EP 0 290 647).
  • probe cutters which, with a diamond tip as a probe tip, achieve a lateral resolution of 6 nm depending on the probe tip geometry and measuring force.
  • a disadvantage of these conventional stylus devices is that due to dynamic effects, e.g. Jumping the stylus, only low measuring speeds are possible, which require long measuring times.
  • the constant contact of the diamond tip and the surface of the test specimen requires measuring forces of at least 10 N, the traces of injury on the
  • stylus cutters are known, the stylus tip of which is attached to a piezoelectric suttonte crystal with a large piezo effect.
  • the crystal acts as a spiral spring, which generates electrical voltages when the probe tip is moved over the surface of a measurement object, which voltages are further processed to form the measurement value.
  • a disadvantage of these solutions is that only a low measuring speed is possible and that the measuring forces of the probe tip are too great (Perthen, J .: “Checking and measuring the surface shape", Carl Hanser Verlag, Kunststoff, 1949, p.118 -1 1 9).
  • a contact detector for the hardness measurement and as a modification to the surface profile determination, a contact detector is known, in which the contact to the surface is determined by a piezoelectric rod resonator, on the front side of which a probe tip, preferably made of diamond, is attached.
  • the St ⁇ breson ⁇ tor is excited via lateral electrodes by a generator or oscillator in natural resonance.
  • An electronic measuring circuit evaluates the frequency or amplitude changes of the resonator that occur when the probe tip touches the measuring surface as a contact signal
  • connection with an actuator can serve to determine the profile.
  • the disadvantage of this arrangement is that the rod resonator produces high measuring forces and has low resonance frequencies, so that the measuring surface can be damaged and only low measuring speeds can be achieved (WO 89/00672 AI).
  • Another known scanning probe device works according to an impulse scanning method, in which a stylus is raised and lowered in a pulsed manner from the surface of the measurement object. The device works quasi statically. Raising the stylus serves to reduce frictional and tangential forces in the bearing points of the measuring mechanism. In this device it is disadvantageous that the pulse speed is low and that the
  • the invention has for its object to further develop a generic measuring arrangement so that the measuring accuracy is still improved, the measuring speed is increased and the measuring forces are reduced.
  • a shock absorber is provided in an arrangement of the generic type between the probe tip and the resonator, which is connected to a control circuit.
  • the measuring arrangement according to the invention allows the surface of the test object (test object) to be scanned with high frequency using low pressure forces with the aid of a piezoelectric resonator.
  • any suitable material with piezoelectric or electrostrictive properties can be used for the shock absorber. Sputtered and textured zinc oxide, piezoelectric polymer film, lithium niobate and Piezoker ⁇ mik particularly suitable.
  • the resonator is designed as a piezoelectric, prismatic rod oscillator made of quartz, lithium niobate or piezoceramic, on the end of which faces the surface of the measurement object, a shock absorber is attached, the shock absorbers being electrically connected in difference.
  • the advantageous effect of the arrangement according to the invention is based on the fact that when the vibrating probe tip touches the surface to be tested in the shock absorber, electrical measurement pulses are generated in the shock absorber, which form the input variable for the control circuit after amplification.
  • the output signal of the control circuit controls the control elements, which the
  • the shock absorber can have a pressure sensitivity of approx. 10 V / N, so that the contact shocks between the probe tip and the surface of the measurement object cause mechanical effects on the surface which are only a few nanometers.
  • the high resonance of the resonator enables high measuring speeds.
  • Fig. 1 shows a push button with piezoceramic bending plate in a basic representation
  • FIG. 2 shows a pushbutton sensor with rod oscillator made of quartz, likewise in a basic representation.
  • FIG. 1 shows a coarse divider 1 connected in series and fine dividers 2, which are mounted on a frame 3.
  • a piezoceramic bending plate 5 and a shock absorber 6 with a probe tip 7 are attached to the fine adjuster 2 as a resonator via a spacer ring 4.
  • the probe tip 7 is in contact with a surface 8 of a measurement object 9.
  • the bending plate 5 is with an oscillator circuit 10 and the shock absorber
  • a prismatic rod oscillator 13 which is held in the vibration node by means of a flange 13 and is arranged e.g. can consist of piezoceramic, lithium niobate or quartz. It is advisable to orient a rod oscillator 15 made of quartz in such a way that the rod axis is inclined by +71 32 'to the z axis in the yz crystal plane and the excitation electrodes for the oscillation process on the yz side surfaces of the rod
  • the measurement signal is therefore electronically, e.g. obtained from the signal mixture by a filter amplifier.
  • shock absorber 6 not only do the measurement voltages caused by the impact forces arise, but also interference voltages which are caused by the inertial forces of the shock absorber 6 and its probe tip 7 caused by the acceleration of the rod oscillator 14. This one
  • a variant of the interference compensation is to occupy both end faces of the rod transducer 14 by means of a shock absorber 6 with a probe tip 7, one side of the measurement signal acquisition and the other of the St -. _: _ gn ⁇ lkompens ⁇ tion serves.
  • the signals from both shock absorbers are to occupy both end faces of the rod transducer 14 by means of a shock absorber 6 with a probe tip 7, one side of the measurement signal acquisition and the other of the St -. _: _ gn ⁇ lkompens ⁇ tion serves.
  • Suitable test specimen surface elements must be scanned for certain measuring tasks, for which the arrangements according to FIG. 1 or 2 are not applicable.
  • the ends of the rod transducer 14 are pointed according to FIG. 2 or there are passive tips, which in turn are shock absorbers 14 and
  • the resonators are preferably made from sputtered and textured zinc oxide, from piezoelectric polymer film, lithium niobate or piezoceramic and are designed in the form of rod oscillators.
  • Probe tip 7 always have an essentially constant force of about 10 N against the surface 8 of the measurement object (9).

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Abstract

The device proposed, which is designed to measure linear dimensions on the patterned surface (8) of a body (9), has a pointed sensor tip (7) coupled to a resonator (5) which is connected in turn to an oscillator circuit (10). The device also includes a control circuit (12) which is connected to resonator-position control elements (1, 2) acting at right angles to the surface (8), a shock isolator (6) connected to the control circuit (12) being located between the sensor tip (7) and the resonator (5).

Description

Bezeichnung der Erfindung Name of the invention
Anordnung zum Messen linearer Abmessungen auf einer strukturierten Oberfläche eines MeßobjektesArrangement for measuring linear dimensions on a structured surface of a measurement object
1010
Technisches GebietTechnical field
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Messen von linearen Abmessungen auf einer strukturierten Oberfläche eines Meßobjektes, bei der eine relativ zur Oberfläche des Meßobjektes senkrecht beweglich angeordneteThe invention relates to an arrangement for measuring linear dimensions on a structured surface of a measurement object, in which one is arranged perpendicularly movable relative to the surface of the measurement object
, ,- Tastspitze mit einem Resonator gekoppelt ist, der mit einer Oszillator¬ schaltung in Verbindung steht, wobei ferner eine Regelschaltung vorgesehen ist, die mit senkrecht zur Oberfläche des Meßobjektes wirkenden Stell¬ elementen für den Resonator verbunden ist. Die Erfindung ist insbesondere bei Zweikoordinatenmeßgeräten, bei Meßgeräten für die Ultra-Präzisions-Be- Q arbeitungstechnik, bei Tastschnittgeräten, bei Meßgeräten für die Messung von mikroelektronischen Halbleiterstrukturen, bei Rauheitsmeßgeräten, bei Profil¬ meßgeräten und zur Erzeugung von MikroStrukturen auf Oberflächen anwendbar.,, - probe tip is coupled to a resonator which is connected to an oscillator circuit, a control circuit also being provided which is connected to actuating elements for the resonator acting perpendicularly to the surface of the test object. The invention is particularly applicable to two-coordinate measuring devices, measuring devices for ultra-precision machining technology, probe cutters, measuring devices for measuring microelectronic semiconductor structures, roughness measuring devices, profile measuring devices and for producing microstructures on surfaces.
55
Stand der TechnikState of the art
Zur Messung linearer Abmessungen von Halbleiterstrukturen sind optische Anordnungen bekannt, die mit Hilfe von optischen Abbildungssystemen und optoelektronischen Empfängern eine lineare Auflösung von ca. 0,7 μm 0 erreichen.For the measurement of linear dimensions of semiconductor structures, optical arrangements are known which achieve a linear resolution of approximately 0.7 μm 0 with the aid of optical imaging systems and optoelectronic receivers.
Eine wesentliche Steigerung der lateralen Auflösung unter 0,7 μm ist wegen des Wellencharakters des Lichtes nicht möglich. Infolge von optischen Beugungserscheinungen, die für jeden Meßpunkt die wirkliche Lage der Strukturkanten verfälschen, entstehen Meßfehler, insbesondere bei der Messung 5 von Strukturbreiten unter 1 μm (vgl. Zeitschrift "Feingerätetechnik" 32 (1 983),A significant increase in the lateral resolution below 0.7 μm is not possible due to the wave character of the light. As a result of optical diffraction phenomena, which falsify the actual position of the structure edges for each measuring point, measurement errors arise, in particular when measuring 5 structure widths below 1 μm (cf. journal "Feingerätetechnik" 32 (1 983),
Nr. 9, S. 402-406; Zeitschrift "Technisches Messen" 54 (1987), Nr. 6, S. 243-252; Zeitschrift "Journal für Optik und Feinmechanik" 35 (1988), S. 196-235).No. 9, pp. 402-406; Journal "Technisches Messen" 54 (1987), No. 6, p. 243-252; Journal "Journal for optics and precision mechanics" 35 (1988), pp. 196-235).
Desweiteren sind elektronenmikroskopische Meßanordnungen bekannt, bei denen die Meßobjekte eine elektrisch leitende Oberflächenschicht aufweisen müssen.Furthermore, electron microscope measuring arrangements are known in which the objects to be measured must have an electrically conductive surface layer.
Der Meßvorgang erfolgt im Vakuum, so daß die bei Wafern übliche Vakuum¬ aufspannung nicht anwendbar ist, und damit Messungen an Wafern mit diesen Anordnungen nur eingeschränkt durchführbar sind. Wie bei einer optischen Meßanordnung enstehen auch hier Meßfehler infolge elektronenoptischer Abbildungsfehler (Reimer, L.; Pfefferkorn, G.: "Raster-Elektronenmikroskopie",The measuring process takes place in a vacuum, so that the vacuum clamping which is customary for wafers cannot be used, and therefore measurements on wafers with these arrangements can only be carried out to a limited extent. As with an optical measuring arrangement, measurement errors arise here due to electron-optical imaging errors (Reimer, L .; Pfefferkorn, G .: "scanning electron microscopy",
Springer-Verlag Berlin, 1 77).Springer-Verlag Berlin, 1 77).
Bei Meßanordnungen, die auf dem Prinzip der Raster-Tunnel-Mikroskopie (STM) oder auf der atomaren Kraft-Mikroskopie (AFM) beruhen, wird eine nanometer- feine Spitze aus Wolfram, Gold, Diamant o.a. im Abstand von wenigen Nanometern über die Prüflingsoberfläche geführt, so daß sich zwischen Spitze und Oberfläche entweder bei einer Spannung von wenigen Millivolt ein Tunnel¬ strom von einigen Nanoamperes ausbildet (STM) oder zwischenatomare Kräfte wirksam werden (AFM), die über einen Abstandsregler konstant gehalten werden. Diese Lösungen haben den Nachteil, daß die Prüflingsoberfläche beim STM wegen des Tunnelstromes elektrisch leitend sein muß.In the case of measuring arrangements based on the principle of scanning tunnel microscopy (STM) or atomic force microscopy (AFM), a nanometer-fine tip made of tungsten, gold, diamond or the like is used. guided at a distance of a few nanometers over the surface of the test specimen, so that a tunnel current of a few nanoamperes is formed between the tip and the surface either at a voltage of a few millivolts (STM) or interatomic forces become effective (AFM), which are kept constant by a distance controller become. These solutions have the disadvantage that the test specimen surface at the STM must be electrically conductive due to the tunnel current.
Die Anordnungen sind so empfindlich, daß nur Flächen von wenigen Mikrometern Größe abgetastet werden können und die Abtastgeschwindigkeiten sehr niedrig sind. Bei diesen Abtastungen entstehen durch die Meßvorgänge auf dem Prüfling Spuren (Proceedings of SPIE, Vol. 897, 1988, S. 8-15;The arrangements are so sensitive that only areas of a few micrometers in size can be scanned and the scanning speeds are very slow. During these scans, the measurement processes on the test object produce traces (Proceedings of SPIE, Vol. 897, 1988, pp. 8-15;
EP 0 338 083 AI; "Physical Review Letter" 56 (1986) 9, S. 930-933). Zur atomaren Kraft- Mikroskopie (AFM) ist eine Anordnung bekannt, bei der auf einem Piezoschwinger eine Tastnadel befestigt ist, deren Spitze hoch¬ frequent schwingend die Oberfläche des Prüflings antastet. Eine elektrische Meßschaltung ermittelt die Verschiebung der Resonanz¬ frequenz des Piezoschwingers, die durch das Berühren der Prüflingsoberfläche mit der Tastnadel hervorgerufen wird.EP 0 338 083 AI; "Physical Review Letter" 56 (1986) 9, pp. 930-933). For atomic force microscopy (AFM), an arrangement is known in which a stylus is attached to a piezo oscillator, the tip of which probes the surface of the test specimen with high frequency vibration. An electrical measuring circuit determines the shift in the resonance frequency of the piezoelectric oscillator, which is caused by touching the test specimen surface with the stylus.
Eine mit der Meßschaltung in Verbindung stehende Regelschaltung und eine den Piezoschwinger tragende Stelleinheit dienen der Profilermittlung. Nachteilig bei dieser Anordnung ist, daß die in der Meßanordnung gezeigte würfelförmige Geometrie des Piezoschwingers keine harmonische Schwingung ermöglicht und daß die im Vergleich zum Piezoschwinger massereiche Tast¬ nadel die Eigenresonanz des Piezoschwingers dämpft.A control circuit connected to the measuring circuit and an actuating unit carrying the piezo oscillator are used to determine the profile. A disadvantage of this arrangement is that the cube-shaped geometry of the piezo oscillator shown in the measuring arrangement does not produce a harmonic oscillation enables and that the probe needle, which is massive in comparison to the piezo oscillator, dampens the natural resonance of the piezo oscillator.
Desweiteren ist das angewendete Meßverfahren der Resonanzfrequenzdifferenz- messung zeitlich träge und relativ unempfindlich und deshalb als hoch¬ dynamisches und zugleich hochempfindliches Meßprinzip weniger geeignet (EP 0 290 647).Furthermore, the measurement method used for the resonance frequency difference measurement is slow in time and relatively insensitive and is therefore less suitable as a highly dynamic and at the same time highly sensitive measurement principle (EP 0 290 647).
Zur mechanischen Abtastung von Halbleiterstrukturen und für Rauheits¬ messungen sind Tastschnittgeräte bekannt, die mit einer Diamantspitze als Tastspitze in Abhängigkeit von Tastspitzengeometrie und Meßkraft eine laterale Auflösung von 6 nm erreichen. Nachteilig bei diesen herkömmlichen Tastschnittgeräten ist, daß infolge dynamischer Effekte, z.B. Springen der Tastnadel, nur geringe Meßgeschwindigkeiten möglich sind, die hohe Meßzeiten bedingen. Der ständige Kontakt von Diamantspitze und Prüflingsoberfläche erfordert Meßkräfte von mindestens 10 N, die Verletzungsspuren auf derFor the mechanical scanning of semiconductor structures and for roughness measurements, probe cutters are known which, with a diamond tip as a probe tip, achieve a lateral resolution of 6 nm depending on the probe tip geometry and measuring force. A disadvantage of these conventional stylus devices is that due to dynamic effects, e.g. Jumping the stylus, only low measuring speeds are possible, which require long measuring times. The constant contact of the diamond tip and the surface of the test specimen requires measuring forces of at least 10 N, the traces of injury on the
Oberfläche des Meßobjektes erzeugen können. (Sonderdruck aus "Kontrolle" 1 1/12, 1 987).Can generate surface of the target. (Special print from "Control" 1 1/12, 1 987).
Desweiteren sind Tastschnittgeräte bekannt, deren Tastspitze auf einem piezo¬ elektrischen Seignettekristall mit großer Piezowirkung befestigt ist. Der Kristall wirkt als Biegefeder, die beim Bewegen der Tastspitze über die Ober¬ fläche eines Meßobjektes elektrische Spannungen erzeugt, welche zur Meßwert- gc..-.Innung weiterverarbeitet werden. Nachteilig bei diesen Lösungen ist, daß nur eine geringe Meßgeschwindigkeit möglich ist und daß die Meßkräfte der Tastspitze zu groß sind (Perthen, J.: "Prüfen und Messen der Oberflächen- gestalt", Carl Hanser Verlag, München, 1949, S. 1 18-1 1 9).Furthermore, stylus cutters are known, the stylus tip of which is attached to a piezoelectric seignette crystal with a large piezo effect. The crystal acts as a spiral spring, which generates electrical voltages when the probe tip is moved over the surface of a measurement object, which voltages are further processed to form the measurement value. A disadvantage of these solutions is that only a low measuring speed is possible and that the measuring forces of the probe tip are too great (Perthen, J .: "Checking and measuring the surface shape", Carl Hanser Verlag, Munich, 1949, p.118 -1 1 9).
Weiterhin bekannt ist eine Anordnung, bei der zur Rauheitsmessung in einem die Oberfläche mit einer Spitze abtastenden Hebel ein Piezokristall integriert ist, dessen ihn belastenden Meßkräfte zur Signalgewinnung verwertet werden. Nachteilig sind die großen Meßkräfte, die ein Abtasten von Mikrostruktureπ ohne deren Verletzung erschweren und die nur geringen zulässigenAlso known is an arrangement in which, for roughness measurement, a piezo crystal is integrated in a lever that scans the surface with a tip, the measuring forces of which it is loaded are used for signal acquisition. Disadvantages are the large measuring forces, which make it difficult to scan microstructures without damaging them, and the only low permissible ones
Meßgeschwindigkeiten durch das quasi statische MeßverfahrenMeasuring speeds through the quasi-static measuring method
(DE 8 600 738.6 Ul ).(DE 8 600 738.6 Ul).
Für die Härtemessung und in Abwandlung zur Oberflächenprofilermittlung ist ein Berühruπgsdetektor bekannt, bei dem der Kontakt zur Oberfläche durch einen piezoelektrischen Stabresonator ermittelt wird, auf dessen Stirnseite eine Tastspitze, bevorzugt aus Diamant, befestigt ist. Der Stαbresonαtor wird über seitliche Elektroden von einem Generator oder Oszillator in Eigenresonanz erregt. Eine elektronische Meßschaltung wertet die bei Berührung der Tasfspitze mit der Meßoberfläche auftretenden Frequenz- oder Amplitudenänderungen des Resonators als Kontaktsignal aus, das inFor the hardness measurement and as a modification to the surface profile determination, a contact detector is known, in which the contact to the surface is determined by a piezoelectric rod resonator, on the front side of which a probe tip, preferably made of diamond, is attached. The Stαbresonαtor is excited via lateral electrodes by a generator or oscillator in natural resonance. An electronic measuring circuit evaluates the frequency or amplitude changes of the resonator that occur when the probe tip touches the measuring surface as a contact signal
Verbindung mit einem Steller zur Profilermittlung dienen kann. Nachteil dieser Anordnung ist, daß der Stabresonator hohe Meßkräfte bewirkt und niedrige Resonanzfrequenzen aufweist, so daß die Meßoberfläche verletzt werden kann und nur geringe Meßgeschwindigkeiten erzielbar sind (WO 89/00672 AI ). Ein weiteres bekanntes Tastschnittgerät arbeitet nach einem Impulstast¬ verfahren, bei dem eine Tastnadel impulsförmig von der Oberfläche des Meßobjektes angehoben und wieder abgesenkt wird. Das Gerät arbeitet quasi statisch. Das Anheben der Tastnadel dient der Verminderung von Reibkräften und Tangentialkräften in den Lagerstellen des Meßwerkes. Bei diesem Gerät ist es von Nachteil, daß die Impulsgeschwindigkeit gering ist und daß dieConnection with an actuator can serve to determine the profile. The disadvantage of this arrangement is that the rod resonator produces high measuring forces and has low resonance frequencies, so that the measuring surface can be damaged and only low measuring speeds can be achieved (WO 89/00672 AI). Another known scanning probe device works according to an impulse scanning method, in which a stylus is raised and lowered in a pulsed manner from the surface of the measurement object. The device works quasi statically. Raising the stylus serves to reduce frictional and tangential forces in the bearing points of the measuring mechanism. In this device it is disadvantageous that the pulse speed is low and that the
Meßkräffe zu hoch liegen (Lehmann, R.: "Leitfaden der Längenmeßtechnik", VEB Verlag, Technik Berlin, 1 60, S. 277).Measuring forces are too high (Lehmann, R .: "Guide to Length Measurement", VEB Verlag, Technik Berlin, 1 60, p. 277).
Beschreibung der ErfindungDescription of the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Meßanordnung so weiterzuentwickeln, daß die Meßgenauigkeit noch verbessert, die Meßgeschwindigkeit erhöht und die Meßkräfte verringert werden.The invention has for its object to further develop a generic measuring arrangement so that the measuring accuracy is still improved, the measuring speed is increased and the measuring forces are reduced.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einer Anordnung der gattungsgemäßen Art zwischen der Tastspitze und dem Resonator ein Stoßaufnehmer vorgesehen ist, der mit einer Regelschaltung in Verbindung steht. Die erfindungsgemäße Meßanordnung gestattet es, die Oberfläche des Prüflings (Meßobjektes) mit geringen Andruckkräften hochfrequent mit Hilfe eines piezo¬ elektrischen Resonators abzutasten.This object is achieved in that a shock absorber is provided in an arrangement of the generic type between the probe tip and the resonator, which is connected to a control circuit. The measuring arrangement according to the invention allows the surface of the test object (test object) to be scanned with high frequency using low pressure forces with the aid of a piezoelectric resonator.
Für den Stoßaufnehmer kann jedes geeignete Material mit piezoelektrischen oder elektrostriktiven Eigenschaften eingesetzt werden. Hierfür sind wegen des hohen Piezoeffektes und der geringen erforderlichen geometrischen Abmessungen im Bereich von Mikrometern vorzugsweise gesputtertes und texturiertes Zinkoxid, piezoelektrische Polymerfolie, Lithiumniobat und Piezokerαmik besonders geeignet.Any suitable material with piezoelectric or electrostrictive properties can be used for the shock absorber. Sputtered and textured zinc oxide, piezoelectric polymer film, lithium niobate and Piezokerαmik particularly suitable.
Meßtechnisch vorteilhaft ist es, wenn der Resonator als piezoelektrischer, prismatischer Stabschwinger aus Quarz, Lithiumniobat oder Piezokeramik ausgebildet ist, an dessen der Oberfläche des Meßobjektes zugewandter Stirn¬ seite ein Stoßaufnehmer befestigt ist, wobei die Stoßaufnehmer elektrisch in Differenz geschaltet sind.In terms of measurement technology, it is advantageous if the resonator is designed as a piezoelectric, prismatic rod oscillator made of quartz, lithium niobate or piezoceramic, on the end of which faces the surface of the measurement object, a shock absorber is attached, the shock absorbers being electrically connected in difference.
Die vorteilhafte Wirkung der erfindungsgemäßen Anordnung beruht darauf, daß bei Berührung der schwingenden Tastspitze mit der zu prüfenden Oberfläche im Stoßaufnehmer infolge der Berührungsstöße elektrische Meßimpulse erzeugt werden, die nach Verstärkung die Eingangsgröße für die Regelschaltung bilden.The advantageous effect of the arrangement according to the invention is based on the fact that when the vibrating probe tip touches the surface to be tested in the shock absorber, electrical measurement pulses are generated in the shock absorber, which form the input variable for the control circuit after amplification.
Das Ausgangssignal der Regelschaltung steuert- die Stellelemente, welche denThe output signal of the control circuit controls the control elements, which the
Resonator und die Tastspitze tragen, wobei die Tastspitze so in Kontakt zur Prüflingsoberfläche gebracht wird, daß die Berührungsstöße der Tastspitze stets eine konstante, sehr geringe Kraft in der Größenordnung um 10 N M 2 aufweisen. Der Stoßaufnehmer kann eine Druckempfindlichkeit von ca. 10 V/N aufweisen, so daß die Berührungsstöße zwischen Tastspitze und Oberfläche des Meßobjektes mechanische Einwirkungen auf der Oberfläche hervorrufen, die nur einige Nanometer betragen. Die hohe Eigenresonanz des Resonators ermöglicht große Meßgeschwindigkeiten.Wear the resonator and the probe tip, the probe tip being brought into contact with the surface of the test specimen in such a way that the contact shocks of the probe tip always have a constant, very low force in the order of 10 N M 2. The shock absorber can have a pressure sensitivity of approx. 10 V / N, so that the contact shocks between the probe tip and the surface of the measurement object cause mechanical effects on the surface which are only a few nanometers. The high resonance of the resonator enables high measuring speeds.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielshalber noch näher erläutert. Es zeigen:BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The invention is explained in more detail below by way of example with reference to the drawing. Show it:
Fig. 1 einen Tastsensor mit piezokeramischer Biegeplatte in prinzipieller Darstellung undFig. 1 shows a push button with piezoceramic bending plate in a basic representation and
Fig. 2 einen Tastsensor mit Stabschwinger aus Quarz, ebenfalls in Prizipdar- stellung.2 shows a pushbutton sensor with rod oscillator made of quartz, likewise in a basic representation.
Ausführliche -Beschreibung der ZeichnungenDetailed description of the drawings
Die Anordnung nach Fig. 1 zeigt je einen in Reihe geschalteten Grobsteiler 1 und Feinsteiler 2, die an ein Gestell 3 montiert sind. Am Feinsteller 2 sind als Resonator über einen Distanzring 4 eine piezokeramische Biegeplatte 5 sowie ein Stoßaufnehmer 6 mit einer Tastspitze 7 befestigt. Die Tastspitze 7 steht mit einer Oberfläche 8 eines Meßobjektes 9 in Berührung.The arrangement according to FIG. 1 shows a coarse divider 1 connected in series and fine dividers 2, which are mounted on a frame 3. A piezoceramic bending plate 5 and a shock absorber 6 with a probe tip 7 are attached to the fine adjuster 2 as a resonator via a spacer ring 4. The probe tip 7 is in contact with a surface 8 of a measurement object 9.
Die Biegeplatte 5 ist mit einer Oszillatorschaltung 10 und der StoßaufnehmerThe bending plate 5 is with an oscillator circuit 10 and the shock absorber
6 mit einer Auswerteschaltung 1 1 verbunden, wobei letztere mit einer Regel¬ schaltung 12 in Verbindung steht. Die Ausgänge der Regelschaltung 12 sind mit dem Grobsteller 1 und dem Feinsteller 2 verbunden. Bei der Anordnung nach Fig. 2 ist als Resonator ein mittels eines Flansches 13 im Schwingungsknoten gehaltener prismatischer Stabschwinger 13 angeordnet, der z.B. aus Piezokeramik, Lithiumniobat oder Quarz bestehen kann. Zweckmäßig ist ein Stabschwinger 15 aus Quarz so zu orientieren, daß die Stabachse um +71 32' zur z-Achse in der yz-Kristallebene geneigt ist und die Erregerelektroden für den Schwingvorgang auf den yz-Seitenflächen des Stabes6 connected to an evaluation circuit 1 1, the latter being connected to a control circuit 12. The outputs of the control circuit 12 are connected to the coarse adjuster 1 and the fine adjuster 2. In the arrangement according to FIG. 2, a prismatic rod oscillator 13, which is held in the vibration node by means of a flange 13 and is arranged e.g. can consist of piezoceramic, lithium niobate or quartz. It is advisable to orient a rod oscillator 15 made of quartz in such a way that the rod axis is inclined by +71 32 'to the z axis in the yz crystal plane and the excitation electrodes for the oscillation process on the yz side surfaces of the rod
14 aufgebracht werden. Dann vollführen die Stirnflächen des Stabes 14 günstige, kolbenförmige Schwingungen. Die elektrischen Zuleitungen für die Meßelektroden des Stoßaufnehmers 6 werden dann ebenfalls günstig über die mit Elektroden nicht belegten Seiten des Stabes 14 zum Flansch 13 geführt.14 are applied. Then the end faces of the rod 14 perform favorable, piston-shaped vibrations. The electrical leads for the measuring electrodes of the shock absorber 6 are then also led favorably over the sides of the rod 14 not occupied by electrodes to the flange 13.
Durch das zwischen den Erregerelektroden des Stabes 14 bestehende Wechselfeld, das ein Oszillator erzeugt, wird nicht nur der Stab 14 zu Längs¬ schwingungen angeregt, sondern die Meßleifungen werden zusätzlich mit Stör¬ spannungen infolge Induktion beaufschlagt. Das Meßsignal wird deshalb elektronisch, z.B. durch einen Filterverstärker, aus dem Signalgemisch gewonnen.Due to the alternating field between the excitation electrodes of the rod 14, which generates an oscillator, not only is the rod 14 excited to longitudinal vibrations, but the measuring leads are additionally subjected to interference voltages due to induction. The measurement signal is therefore electronically, e.g. obtained from the signal mixture by a filter amplifier.
Im Stoßaufnehmer 6 entstehen nicht nur die durch die Stoßkräfte hervorge¬ rufenen Meßspannungen, sondern auch Störspannungen, die ihre Ursache in den durch die Beschleunigung des Stabschwingers 14 bedingten Massenträgheits- kräften des Stoßaufnehmers 6 und seiner Tastspitze 7 haben. Da dieseIn the shock absorber 6, not only do the measurement voltages caused by the impact forces arise, but also interference voltages which are caused by the inertial forces of the shock absorber 6 and its probe tip 7 caused by the acceleration of the rod oscillator 14. This one
Störspannungen linear mit der Eigenmasse von Stoßaufnehmer 6 und TastspitzeInterference voltages linear with the dead weight of shock absorber 6 and probe tip
7 und quadratisch mit der Resonanzfrequenz des Stabschwingers 14 zunehmen, sind diese Einflußparameter möglichst klein zu halten bzw. auszulegen.7 and increase quadratically with the resonance frequency of the rod oscillator 14, these influencing parameters are to be kept as small as possible or to be designed.
Eine Variante der Störkompensation besteht darin, beide Stirnseiten des Stabschwingers 14 durch je einen Stoßaufnehmer 6 mit Tastspitze 7 zu belegen, wobei eine Seite der Meßsignalgewinnung und die andere der St -. _:_gnαlkompensαtion dient. Hierzu werden die Signale beider StoßaufnehmerA variant of the interference compensation is to occupy both end faces of the rod transducer 14 by means of a shock absorber 6 with a probe tip 7, one side of the measurement signal acquisition and the other of the St -. _: _ gnαlkompensαtion serves. For this purpose, the signals from both shock absorbers
6 elektrisch in Differenz geschaltet, so daß sich die Störsignale kompensieren.6 electrically switched in difference, so that the interference signals are compensated.
Für bestimmte Meßaufgaben müssen geeignete Prüflingsoberflächenelemente abgetastet werden, wofür die Anordnungen nach Fig. 1 oder 2 nicht anwendbar sind. Für diese Fälle werden die Enden des Stabschwingers 14 nach Fig. 2 angespitzt oder es werden passive Spitzen, die ihrerseits Stoßaufnehmer 14 undSuitable test specimen surface elements must be scanned for certain measuring tasks, for which the arrangements according to FIG. 1 or 2 are not applicable. For these cases, the ends of the rod transducer 14 are pointed according to FIG. 2 or there are passive tips, which in turn are shock absorbers 14 and
Tastspitzen 7 tragen, an ihren Stirnflächen aufgesetzt.Wear stylus tips 7, placed on their end faces.
Die Resonatoren werden bevorzugt aus gesputtertem und texturiertem Zinkoxid, aus piezoelektrischer Polymerfolie, Lithiumniobat oder Piezokeramik gefertigt und in Form von Stabschwingern ausgebildet.The resonators are preferably made from sputtered and textured zinc oxide, from piezoelectric polymer film, lithium niobate or piezoceramic and are designed in the form of rod oscillators.
Über die Regelschaltung 12 werden die den Resonator und die Tastspitze 7 tragenden Stellelemente 1 und 2 so angesteuert, daß die Berührungsstöße derAbout the control circuit 12, the resonator and the probe tip 7 carrying actuating elements 1 and 2 are controlled so that the contact shocks
Tastspitze 7 gegen die Oberfläche 8 des Meßobjektes (9) stets eine im wesentlichen konstante Kraft von etwa 10 N aufweisen. Der StoßaufnehmerProbe tip 7 always have an essentially constant force of about 10 N against the surface 8 of the measurement object (9). The bumper
2 6 wird mit einer Druckempfindlichkeit von 10 V/N ausgelegt. 2 6 is designed with a pressure sensitivity of 10 V / N.

Claims

Patentansprüche Claims
1. Anordnung zum Messen linearer Abmessungen auf einer strukturierten Ober- fläche (8) eines Meßobjektes (9), bei der eine Tastspitze (7), die relativ zur1. Arrangement for measuring linear dimensions on a structured surface (8) of a measurement object (9), in which a probe tip (7), which is relative to the
Oberfläche (8) des Meßobjektes (9) senkrecht beweglich angeordnet ist, mit einem Resonator (5) gekoppelt ist, der mit einer Oszülatorschaltung (10) in Verbindung steht, und bei der eine Regelschaltung (12) vorgesehen ist, die mit senkrecht zur Oberfläche (8) wirkenden Stellelementen für den Resonator (5) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Tastspitze (7) undSurface (8) of the measurement object (9) is arranged vertically movable, is coupled to a resonator (5) which is connected to an oscillator circuit (10), and in which a control circuit (12) is provided which is perpendicular to the surface (8) acting control elements for the resonator (5) is connected, characterized in that between the probe tip (7) and
Resonator (5) ein Stoßaufnehmer (6) angeordnet ist, der mit der Regel¬ schaltung (12) in Verbindung steht.Resonator (5) is arranged a shock absorber (6) which is connected to the control circuit (12).
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein piezoelektrischer oder ein elektrostriktiver oder ein magnetostriktiver2. Arrangement according to claim 1, characterized in that a piezoelectric or an electrostrictive or a magnetostrictive
Stoßaufnehmer (6) vorgesehen ist.Shock absorber (6) is provided.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (5) als piezoelektrischer, prismatischer Stabschwinger aus Quarz oder Piezokeramik ausgebildet ist, an dessen der Oberfläche (8) des3. Arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the resonator (5) is designed as a piezoelectric, prismatic rod oscillator made of quartz or piezoceramic, on the surface (8) of which
Meßobjektes (9) zugewandter Stirnseite ein Stoßaufnehmer (6) und an dessen anderer Stirnseite ein zweiter Stoßaufnehmer befestigt ist, wobei die Stoßfaufnehmer elektrisch in Differenz geschaltet sind.Object (9) facing end face a shock absorber (6) and on the other end face a second shock absorber is fastened, the shock absorbers being electrically connected in difference.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoßaufnehmer (6) aus gesputtertem und texturiertem Zinkoxid oder aus piezoelektrischer Polymerfolie oder aus Lithiumniobt oder aus Piezokeramik besteht. 4. Arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that the shock absorber (6) consists of sputtered and textured zinc oxide or of piezoelectric polymer film or of lithium niobium or of piezoceramic.
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