DIN 32567-5-2015 Production equipment for microsystems - Determination of the influence of materials on the optical and tactile dimensional metrology - Part 5 Derivation of correct.pdf

1、Juni 2015DEUTSCHE NORM DIN-Normenausschuss Feinmechanik und Optik (NAFuO)Preisgruppe 11DIN Deutsches Institut fr Normung e. V. Jede Art der Vervielfltigung, auch auszugsweise, nur mit Genehmigung des DIN Deutsches Institut fr Normung e. V., Berlin, gestattet.ICS 39.020!%BZw“2315584www.din.deDDIN 325

2、67-5Fertigungsmittel fr Mikrosysteme Ermittlung von Materialeinflssen auf die optische und taktiledimensionelle Messtechnik Teil 5: Ableitung von Korrekturwerten fr optische MessgerteProduction equipment for microsystems Determination of the influence of materials on the optical and tactile dimensio

3、nalmetrology Part 5: Derivation of correction values for optical measuring devicesquipements de production pour systmes microtechniques Dtermination de linfluence des matriaux sur la mtrologie dimensionnelle optique ettactile Partie 5: Drivation des valeurs de correction pour les appareils de mesure

4、 doptiqueAlleinverkauf der Normen durch Beuth Verlag GmbH, 10772 Berlin www.beuth.deGesamtumfang 18 SeitenDIN 32567-5:2015-06 2 Inhalt Seite Vorwort 3 Einleitung .4 1 Anwendungsbereich .5 2 Normative Verweisungen 5 3 Begriffe .5 4 Messbedingungen .5 5 Einflussfaktoren bei optischen Oberflchenmessver

5、fahren 5 5.1 Allgemeines 5 5.2 Materialspezifische Einflussfaktoren bei optischen Oberflchenmessverfahren 6 5.2.1 Allgemeines 6 5.2.2 Brechungsindex .6 5.2.3 nderung der Phasenlage 6 5.2.4 nderung der spektralen Verteilung .7 5.3 Gertespezifische Einflussfaktoren bei optischen Verfahren 8 5.3.1 Allg

6、emeines 8 5.3.2 Laterale Auflsung 8 5.3.3 Spektrale Verteilung der Beleuchtung 8 5.3.4 Beleuchtungsintensitt .8 5.3.5 Kohrenz .9 5.3.6 Numerische Apertur . 10 5.3.7 Empfindlichkeit des Bildsensors 10 6 Bestimmung der systematischen Abweichung topographisch gemessener Schichtdicken . 10 6.1 Bestimmun

7、g der effektiven numerischen Apertur 10 6.2 Bestimmung der Vernderung der Phasenlage 11 7 Korrekturverfahren fr optische Messverfahren . 12 7.1 Weilichtinterferometrie 12 7.1.1 Allgemeines . 12 7.1.2 Materialpaarung: Schicht reflektierenden Materials auf transparentem Material 12 7.1.3 Materialpaaru

8、ng: Schicht transparenten Materials auf reflektierendem Material 12 7.2 Fokussierende Verfahren . 13 7.2.1 Allgemeines . 13 7.2.2 Materialpaarung: Schicht reflektierenden Materials auf transparentem Material 13 7.2.3 Materialpaarung: Schicht transparenten Materials auf reflektierendem Material 13 An

9、hang A (informativ) Bestimmung des Brechungsindex transparenter Schichten 15 Anhang B (informativ) Beispiele fr Korrekturverfahren . 17 B.1 Transparente Schicht auf reflektierendem Substrat, fokussierendes Messverfahren, topographische Schichtdickenmessung . 17 Literaturhinweise . 18 DIN 32567-5:201

10、5-06 3 Vorwort Dieses Dokument wurde vom DIN-Arbeitsausschuss NA 027-03-03 AA Fertigungsmittel fr Mikrosysteme“ im DIN-Normenausschuss Feinmechanik und Optik (NAFuO) erarbeitet. DIN 32567 besteht aus den folgenden Teilen unter dem allgemeinen Titel Fertigungsmittel fr Mikrosysteme Ermittlung von Mat

11、erialeinflssen auf die optische und taktile dimensionelle Messtechnik. Teil 1: Qualitative Abschtzung der material- und verfahrenspezifischen Einflsse Teil 2: Prfkrper fr taktile Verfahren Teil 3: Ableitung von Korrekturwerten fr taktile Messgerte Teil 4: Prfkrper fr optische Verfahren Teil 5: Ablei

12、tung von Korrekturwerten fr optische Messgerte Es wird auf die Mglichkeit hingewiesen, dass einige Elemente dieses Dokuments Patentrechte berhren knnen. Das DIN und/oder die DKE sind nicht dafr verantwortlich, einige oder alle diesbezglichen Patentrechte zu identifizieren. DIN 32567-5:2015-06 4 Einl

13、eitung Die dimensionelle Messung von Mikrobauteilen ist eine wesentliche Aufgabe der Qualittssicherung in der Mikroproduktionstechnik. Die Bereitstellung von Prfkrpern und zugehrigen Kalibrierverfahren ist eine wesentliche Voraussetzung dafr. Mit den heute verfgbaren Prfkrpern ist hier ein groer Sch

14、ritt in Richtung der Messbarkeit unterschiedlicher Mikrostrukturen gelungen. Bisher liegen den Kalibrierungsverfahren jedoch idealisierte Annahmen zugrunde. So sind z. B. die Prfkrper aus gut reflektierendem, homogenem Material, so dass bei optischer Messung Einflsse durch die optischen Eigenschafte

15、n des Materials vernachlssigt werden knnen. Gerade in der Mikrotechnik gewinnen jedoch die materialspezifischen Eigenschaften an Bedeutung, da hufig Materialien mit stark unterschiedlichen optischen Eigenschaften kombiniert werden. Bei topographischen Schichtdickenmessungen mit optischen Verfahren,

16、bei denen eine Schicht als Hhenstufe zum darunterliegenden Substrat gemessen wird, kann es daher zu relativ groen systematischen Abweichungen der gemessenen Schichtdicke kommen. Mit der vorliegenden Norm sollen Verfahren identifiziert werden zur Bestimmung und Korrektur systematischer Abweichungen t

17、opographischer Schichtdickenmessungen mit optischen Verfahren fr Schichten, die vom Substrat abweichende optische Eigenschaften aufweisen. Dabei werden sowohl fokussierende Verfahren (Autofokussensor, Konfokalsensor) als auch Interferenzverfahren bercksichtigt. Das Ziel dieser Norm ist, durch Anwend

18、ung der beschriebenen Korrekturen ein genaueres Messergebnis zu erreichen. Die Norm behandelt in erster Linie Materialpaarungen transparenter und reflektierender Materialien, beispielsweise eine transparente Schicht auf reflektierendem Substrat. Wichtigste Voraussetzung fr die Anwendung der Norm ist

19、 die grundstzliche Mglichkeit der topographischen Schichtdickenmessung, d. h. die Schicht muss als Profilstufe messbar sein. Bezglich geeigneter Kalibrierverfahren wird auf die Technischen Regeln VDI/VDE 2655 und VDI/VDE 2656 verwiesen. DIN 32567-5:2015-06 5 1 Anwendungsbereich DIN 32567 beschreibt

20、systematische Einflsse und Abweichungen bei der Messung von Schichtdicken und Stufenhhen von Mikrostrukturen aus inhomogenen Materialien mit ausgewhlten taktilen und optischen Messgerten. DIN 32567 legt Verfahren fest, mit denen durch Materialeigenschaften und Messverfahren verursachte systematische

21、 Messabweichungen ermittelt und korrigiert werden. Dieser Teil der DIN 32567 beschreibt systematische Einflussfaktoren fr die optische Messung von Schichtdicken und Stufenhhen von Mikrostrukturen aus inhomogenen Materialien. Auerdem legt dieser Teil der DIN 32567 Verfahren fest, mit denen diese Einf

22、lussfaktoren ermittelt und korrigiert werden knnen. Dadurch wird es mglich, genauere Messergebnisse zu erzielen. 2 Normative Verweisungen Die folgenden Dokumente, die in diesem Dokument teilweise oder als Ganzes zitiert werden, sind fr die Anwendung dieses Dokuments erforderlich. Bei datierten Verwe

23、isungen gilt nur die in Bezug genommene Ausgabe. Bei undatierten Verweisungen gilt die letzte Ausgabe des in Bezug genommenen Dokuments (einschlielich aller nderungen). DIN 32564-1, Fertigungsmittel fr Mikrosysteme Begriffe Teil 1: Allgemeine Begriffe der Mikrosystemtechnik DIN 32567-1, Fertigungsmi

24、ttel fr Mikrosysteme Ermittlung von Materialeinflssen auf die optische und taktile dimensionelle Messtechnik Teil 1: Qualitative Abschtzung der material- und verfahrensspezifischen Einflsse VDI/VDE 2655 Blatt 1.2 Optische Messtechnik an Mikrotopografien: Kalibrieren von konfokalen Mikroskopen und Ti

25、efeneinstellnormalen fr die Rauheitsmessung 3 Begriffe Fr die Anwendung dieses Dokuments gelten die Begriffe nach DIN 32564-1 und nach DIN 32567-1. 4 Messbedingungen Die Messungen mssen unter definierten Bedingungen hinsichtlich Reinheit, Temperatur, Luftfeuchte, Streulicht und Schwingungen durchgef

26、hrt werden. Es gelten die Festlegungen in VDI/VDE 2655 Blatt 1.2. 5 Einflussfaktoren bei optischen Oberflchenmessverfahren 5.1 Allgemeines Allgemein lassen sich die Einflussfaktoren fr das Messergebnis bei topographischer Messung von Schichtdicken unterteilen in gertespezifische, materialspezifische

27、 und umgebungsspezifische Faktoren (siehe folgende Auflistung). Materialspezifischer Einfluss Gertespezifischer Einfluss Umgebungsspezifischer Einfluss Komplexer Brechungsindex (n+i) Lichtfleckdurchmesser (dLF) Temperatur (T) Doppelbrechung Pixelgre Rel. Luftfeuchte (rF) Phasensprnge/Phasenverschieb

28、ung Spektralverteilung der Beleuchtung, Bandbreite Polarisation Rumliche Kohrenz Elektromagnetische Oberflche Effektive Numerische Apertur AN,effEmpfindlichkeit des Bildsensors (z. B. Photo-diode, CCD-Sensor) DIN 32567-5:2015-06 6 Als wesentliche materialspezifische Einflussfaktoren mssen der komple

29、xe Brechungsindex (ggf. anisotrop, Doppelbrechung), Phasensprnge bei der Reflexion am Material sowie Verschiebungen der Phase im Material bercksichtigt werden. Durch Absorption kann die Intensitt des reflektierten Lichts beeinflusst werden. Ist diese wellenlngenabhngig, kann es zu systematischen Abw

30、eichungen kommen. Allgemein ist zu bercksichtigen, dass die Reflexion des Lichts an der elektromagnetischen Oberflche geschieht. Insbesondere bei volumenstreuenden Materialien (Keramiken, Kunststoffen) ist diese nicht unbedingt identisch mit der wirklichen Oberflche des Materials. Wesentliche umgebu

31、ngsspezifische Einflussfaktoren sind die Temperatur und die Luftfeuchte. Viele Polymere quellen in feuchter Umgebung auf und ndern ihre Eigenschaften. Dies muss bei der Untersuchung der materialabhngigen Eigenschaften bercksichtigt werden. 5.2 Materialspezifische Einflussfaktoren bei optischen Oberf

32、lchenmessverfahren 5.2.1 Allgemeines Hinsichtlich der Messung von Schichtdicken sind hier insbesondere transparente und/oder volumenstreuende Materialien von Interesse. Im weiteren werden geometrische Einflsse vernachlssigt, d. h. die Grenzflchen werden als ideal glatt betrachtet. Bei transparenten

33、Materialien sind fr die Messung von Schichtdicken sowohl die Reflexion des fr die Untersuchung verwendeten Lichts, als auch die Transmission durch das Material sowie ggf. die Absorption des Lichts im Material von Bedeutung. Bei optischen Verfahren zur Messung von Oberflchen muss bercksichtigt werden

34、, dass sie in der Regel abhngig von der spektralen Verteilung des Lichts und dem Einfallswinkel des verwendeten Lichts sind. 5.2.2 Brechungsindex Bei Messungen an transparenten Materialien wird eine von der geometrischen Dicke d abweichende Schichtdicke dm = n d gemessen, da der optische Weg im tran

35、sparenten Material durch den Brechungsindex des Materials n verlngert wird. Dies muss bei der Schichtdickenmessung bercksichtigt werden. Ist der Brechungsindex bekannt, kann dies entsprechend korrigiert werden. Es ist allerdings zu bercksichtigen, dass sich insbesondere der Brechungsindex dnner Schi

36、chten deutlich vom Brechungsindex dicker Schichten unterscheiden kann. Die Ursache hierfr liegt in den unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften von Festkrpern und Oberflchen. Im Anhang A werden Beispiele beschrieben, wie ein unbekannter Brechungsindex bestimmt werden kann. 5.2.3 nderung der Ph

37、asenlage Bei Reflexion an einem dichteren Medium tritt stets ein Phasensprung auf. Bei Stufen, bei denen die obere und untere Flche aus dem gleichen Material bestehen, treten an diesen Flchen gleiche Phasensprnge auf. Die Bercksichtigung der Phasensprnge entfllt daher bei der Berechnung der Stufenhh

38、e. Bei unterschiedlichen Materialien knnen unterschiedliche Phasensprnge auf den beiden Flchen auftreten und bei der Berechnung der Stufenhhe zu Abweichungen fhren. Bei transparenten Schichten kommt eine Phasenverschiebung aufgrund des zweimaligen Durchlaufens der Schicht (siehe Bild 1) hinzu, die b

39、ercksichtigt werden muss. DIN 32567-5:2015-06 7 Legende 1 Am Substrat reflektierte Welle 2 An der Schichtoberflche reflektierte Welle 3 Transparente Schicht, Brechungsindex n 4 Substrat Bild 1 Phasenverschiebung beim zweimaligen Durchgang durch eine transparente Schicht der Dicke d 5.2.4 nderung der

40、 spektralen Verteilung Beim Durchgang durch die transparente Schicht kann durch wellenlngenabhngige Absorption das eingestrahlte Spektrum verndert werden. Im skizzierten Beispiel werden lngere Wellenlngen strker absorbiert, so dass es zu einer Verschiebung des Strahlungsmaximums hin zu krzeren Welle

41、nlngen kommt. Bei Sensoren, welche die Stufenhhe aus der Wellenlnge des reflektierten Lichts ermitteln, kann dies zu systematischen Abweichungen fhren. Die Verschiebung des Strahlungsmaximums bei wellenlngenabhngiger Absorption (siehe Bild 2) muss bercksichtigt werden. Legende X Wellenlnge Y Intensi

42、tt Bild 2 Skizze zur Vernderung des reflektierten Spektrums (gestrichelte Linie) im Vergleich zum eingestrahlten Spektrum (durchgezogene Linie) durch wellenlngenabhngige Absorption DIN 32567-5:2015-06 8 5.3 Gertespezifische Einflussfaktoren bei optischen Verfahren 5.3.1 Allgemeines Dieser Abschnitt

43、beschreibt die gertespezifischen Einflussfaktoren bei der topographischen Schichtdickenmessung mit optischen Messgerten. 5.3.2 Laterale Auflsung Analog zum Tastspitzenradius bei der taktilen Messtechnik bestehen auch bei optischen Messverfahren fr die Messung kleiner Strukturen Begrenzungen, die dur

44、ch das laterale Auflsungsvermgen beschrieben werden. Das laterale Auflsungsvermgen wird stark von der numerischen Apertur und schwach von der spektralen Verteilung des Lichts und ebenfalls schwach von der rumlichen Kohrenz des Lichts beeinflusst. Fr Punktsensoren hngt das laterale Auflsungsvermgen u

45、nter anderem vom Lichtfleckdurchmesser ab. 5.3.3 Spektrale Verteilung der Beleuchtung Die Eigenschaften der jeweils verwendeten Lichtquellen mssen bei der Schichtmessung beachtet werden. So setzt sich das Spektrum von Weilicht-LEDs aus mehreren diskreten Emissionslinien zusammen, whrend das Spektrum

46、 einer Halogenlampe kontinuierlich ist. Bei letzterem darf bei vergleichenden Messungen die Intensitt der Lichtquelle nicht verndert werden, da bei nderung der Intensitt auch eine nderung der Wellenlnge des Strahlungsmaximums auftritt. Bei volumenstreuenden Materialien (Keramiken, Kunststoffen) kann

47、 die Eindringtiefe des Lichts in das Material und damit die elektromagnetische Oberflche von der spektralen Zusammensetzung des Lichts abhngen. 5.3.4 Beleuchtungsintensitt Der Einfluss der Beleuchtungsintensitt ist in der Regel auf das Verhltnis von Nutzamplitude des zur Messung verwendeten reflekti

48、erten Lichts zur Amplitude des Rauschsignals beschrnkt (Signal/Rausch-Verhltnis). Je hher die Intensitt, umso besser das Signal/Rausch-Verhltnis und desto kleiner die stochastischen Abweichungen. Systematische Abweichungen aufgrund wechselnder Beleuchtungsintensitt lassen sich durch geeignete Auswer

49、tealgorithmen (z. B. adaptive Schwellen bei der Kantenbestimmung) weitgehend beherrschen. Bei Triangulations- und bei einigen Autofokusverfahren wird aufgrund des nicht senkrechten Lichteinfalls eine seitliche Verschiebung des Lichtflecks als eine Hhennderung interpretiert. Aufgrund der endlichen Ausdehnung des Lichtflecks (Lichtfleckdurchmesser dLF) wi