Die Profilometer Zygo der SerieNewView™ 8000nutzen das Interferenzmessverfahren CSI (Coherence Scanning Interferometry) sowie die Software Mx™ mit dem patentierten Verfahren der Frequenzbereichsanalyse (Frequency Domain Analysis – FDA) ermöglicheneine direkte Quantifizierung der Oberflächenstrukturmit einer Genauigkeit im Bereich von Bruchteilen eines Nanometers. Bei geeigneter Behandlung der Messparameter, wie z. B. dem Einfluss von Vibrationen, der Kalibrierung des Geräts und der richtigen Wahl der Messparameter, lassen sichMessgenauigkeiten im Bereich von einigen zehn Pikometern (10⁻¹¹m) erzielen. Eine hohe Messgenauigkeit ist beispielsweise für diamantbearbeitete optische Oberflächen (Single-Point-Diamond-Turning-Optiken) erforderlich.
Die Messung der Oberflächenstruktur mit Zygo-Profilometern basiert auf dem Phänomen der Weißlichtinterferometrie (white light interferometry). Damit lassen sich Wiederholgenauigkeiten im Sub-Angström-Bereich erzielen. Diese Möglichkeiten werden entwickelt, um die Messung superglatter Oberflächen zu ermöglichen, die durch immer hochwertigere Bearbeitungsverfahren hergestellt werden, beispielsweise im Maschinenbau, in der Raumfahrt sowie in der bereits erwähnten Optik.
Das Verständnis des Systemrauschens
Der erste Schritt bei der Durchführung quantitativer Messungen superglatter Oberflächen besteht darin, sich bewusst zu machen, dass jedes Messsystem gleichzeitig eine Quelle von inhärentem Rauschen ist. Dieses Rauschen ist das Ergebnis zahlreicher Faktoren, darunter elektronisches Rauschen, Sensorrauschen, kleine Unregelmäßigkeiten in der Referenzfläche sowie Vibrationen, die durch Veränderungen in der Messumgebung verursacht werden. Bei den meisten Proben ist das Rauschen bei der Messung mit Profilometern der NewView 8000-Serie dank des hohen Signal-Rausch-Verhältnisses – bedingt durch die einzigartige Art der Datenerfassung und die nachfolgenden Auswertungsalgorithmen – vernachlässigbar. Bei sehr glatten Oberflächen lässt sich dies jedoch nicht pauschal behaupten. Bei solchen Proben ist es erforderlich, die Rauschquellen zu verstehen und deren Einfluss anschließend so weit wie möglich zu reduzieren.
Einige Rauschquellen lassen sich durch die Kontrolle der äußeren Messbedingungen (z. B. Akustik, Luftströmung, Temperaturschwankungen) sowie beispielsweise durch eine ausreichende Anzahl von Messwiederholungen zur Mittelwertbildung beseitigen oder zumindest stark reduzieren.
Kontrolle der Umgebungsbedingungen während der Messung
Die erste Aufgabe bei der Einrichtung von Messungen an superglatten Oberflächen ist die Einführung einer Kontrolle der Umgebung während der Messung. Die ideale Messumgebung ist wie folgt:
- Mechanisch und akustisch ruhig, um den Einfluss von Schwingungen zu minimieren
- Temperaturstabilisiert, um Veränderungen an Probe und Objektiv während der Messung zu minimieren
- Mit gut kontrollierter Luftströmung, um Luftströmungen zwischen Probe und Objektiv während der Messung zu vermeiden.
Am wichtigsten sind die Kontrolle von Vibrationen, Geräuschen und die Temperaturstabilität. Bei Objektiven mit geringen Arbeitsabständen hat die Luftströmung einen geringeren Einfluss auf das Gesamtrauschen. Bei Objektiven mit großem Arbeitsabstand muss jedoch auch der zuletzt genannte Punkt beachtet werden.
Bestimmung des Systemrauschens
Das Rauschen des Messsystems lässt sich als quadratischer Mittelwert (Root Mean Square – RMS) zweier aufeinanderfolgender Messungen desselben Probenbereichs definieren. In der Regel wird jedoch der quadratische Mittelwert mehrerer (10 oder mehr) aufeinanderfolgender Messungen desselben Bereichs angegeben. Dieser Wert wird als Wiederholbarkeit der Oberflächentopografie (Surface Topography Repeatability – STR) bezeichnet. Der STR-Wert sinkt, wenn jede Messung aus dem Mittelwert mehrerer Werte besteht. Die STR kann auch als Quotient aus der Rauschbandbreite A (Noise bandwidth) und der Quadratwurzel der Erfassungszeit√t verstanden werden. Die Rauschbandbreite Ades Systems ist ein Koeffizient, der es ermöglicht, die Messleistung einer bestimmten Systemkonfiguration unabhängig von der Datenerfassungszeit und der Anzahl der gemittelten Daten pro Messung zu bewerten. Für ein bestimmtes System lässt sich der KoeffizientAdaher anhand des STR-Werts (Datenblatt) und der erforderlichen Messzeit abschätzen.
Beispielsweise weistdas NewView 8300bei einer Erfassungszeit von 2 s und einem 10-µm-Scan einen angegebenen STR-Wert von 0,2 nm auf. Dem entspricht ein Rauschbandbreitenwert vonA =STR·√t = 0,28 nm·√s. Der STR-Wert lässt sich dann unter Beibehaltung der Messbedingungen durch Verlängerung der Datenerfassungszeit verringern (siehe Grafik rechts). Aus der beigefügten Grafik geht zudem hervor, dass bei Messungen mit der SmartPSI-Methode (einer von Zygo entwickelten proprietären Methode) die Rauschbandbreite deutlich geringer ist als bei Standard-CSI-Messungen, was bei gegebener Datenerfassungszeit zu besseren STR-Werten führt.
Wie gering muss das Rauschen für die jeweilige Anwendung sein?
Es gibt zwar keine allgemeingültige Richtlinie zur Bestimmung der Messdauer für alle Arten von Oberflächen. Bei der Messung rauer Oberflächen im Bereich von mehreren zehn Nanometern und mehr empfehlen wir jedoch, die Datenerfassungszeit so einzustellen, dass der STR-Wert mindestens um eine Größenordnung niedriger ist als der Wert der Oberflächenrauheit. Bei superglatten Oberflächen im Bereich von Einheiten bis zu Zehnteln eines Å würde eine solche Anforderung selbst bei Verwendung der SmartPSI-Methode zu einer extrem langen Datenerfassungszeit führen. Für solche Oberflächen empfehlen wir daher, den STR-Schwellenwert zwei- bis viermal niedriger als die gemessene Oberflächenrauheit einzustellen.
Fazit
Mithilfe der oben beschriebenen Methoden und Verfahren konnte das Unternehmen Zygo die Fähigkeit demonstrieren, Oberflächen mit einer Rauheit von weniger als 0,05 nm zu messen. Durch die Kombination einer sorgfältigen Kontrolle der oben beschriebenen Messbedingungen, einer geeigneten Wahl der Anzahl der Mittelwertbildungen für einzelne Messungen (abhängig vom Wert der Rauschbandbreite) und der Auswahl einer geeigneten internen Genauigkeit wurde die höchste Qualität bei der Messung der Oberflächenstruktur mit einem optischen Profilometer erreicht.
