Weißlichtinterferometer (WLI)

Weißlichtinterferometer

Interferenz tritt auf, wenn sich zwei Lichtwellen überlagern, wodurch die Amplitude der kombinierten Welle zu- oder abnimmt. Weißlichtinterferometer nutzen dieses Phänomen, um die 3D-Daten einer Probe zu erfassen. Die Abbildung rechts zeigt den schematischen Aufbau eines Interferometers. Das von der Lichtquelle emittierte Licht wird in einen Referenz- und einen Messstrahl aufgeteilt. Der Referenzstrahl wird durch einen Strahlteiler zum Referenzspiegel geleitet, während der Messstrahl reflektiert und auf die Probenoberfläche geführt wird. Der durchgelassene Strahl wird vom Referenzspiegel zum CMOS-Bildsensor reflektiert und erzeugt ein Interferenzmuster. Der andere Strahl wird von der Probenoberfläche reflektiert, passiert den Strahlteiler und erzeugt ebenfalls ein Bild auf dem CMOS-Sensor.

Ein Weißlichtinterferometer ist so konzipiert, dass die optische Weglänge vom CMOS-Sensor zum Referenzspiegel und vom CMOS-Sensor zur Probenoberfläche gleich sind. Unebenheiten auf der Probenoberfläche führen dazu, dass diese Weglängen ungleich werden, was zur Bildung eines Interferenzmusters auf dem CMOS-Sensor führt. Die Anzahl der Linien im Interferenzmuster wird in Spitzen und Täler (Höhen) auf der Probenoberfläche umgerechnet.

Entstehung von Interferenzen

Interferenz von Licht tritt auf, wenn zwei Wellenlängen aufeinandertreffen und sich gegenseitig verstärken oder abschwächen. Dieser Abschnitt beschreibt wie die Interferenz von zwei Lichtstrahlen, welche sich im definerten Punkt P treffen. Ist der Gangunterschied zwischen den beiden Lichtwegen S1P und S2P ein ganzzahliges Vielfaches der Lichtwellenlänge λ, verstärken sich die beiden Lichtwellen durch die Überlagerung der Wellenberge und werden am Punkt P heller. Beträgt der optische Gangunterschied ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge λ + 1/2 der Wellenlänge λ, überlagern sich Wellenberge und Wellentäler, wodurch sich die Wellen abschwächen und am Punkt P dunkler werden.

A: Optischer Gangunterschied = S2P – S1P

Interferenz Verstärkung
Wenn der optische Gangunterschied ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge λ ist

kommt es durch Überlagerung von Wellenbergen mit Wellenbergen und Wellentälern mit Wellentälern zu einer Verstärkung.

Interferenz Abschwächung
Wenn der optische Gangunterschied ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge λ + λ/2 ist

kommt es durch Überlagerung von Wellenbergen mit Wellentälern zu einer Abschwächung.

Interferenzstreifen

Bei der Interferenz wird das Licht in Intervallen, die der halben Wellenlänge der Lichtquelle (λ/2) entsprechen, heller und dunkler. Diese Hell-Dunkel-Muster werden als Interferenzstreifen bezeichnet. Die Höhe eines Messobjekts kann durch Zählen der Anzahl der Interferenzstreifen bestimmt werden.
Der Physiker Christiaan Huygens und andere haben bewiesen, dass Interferenzstreifen eine Funktion (Wellenform) mit einer festen Periode bilden, wie in der folgenden Abbildung dargestellt. Optische Interferometer nutzen dieses physikalische Phänomen, um auch bei geringen Vergrößerungen eine hochauflösende Messung zu gewährleisten.

Wellenlängen der Interferenzstreifen

Bei Verwendung einer Lichtquelle mit 408 nm beträgt der Abstand der Interferenzstreifen (Wellenlänge) beispielsweise 0,204 μm.
Dieser Wert stellt den Höhenunterschied der gemessenen Oberfläche dar.
Bei einem Höhenunterschied von Spitze zu Spitze von 0,204 μm, ist eine Auflösung von 0,1 nm möglich, indem die Welle zwischen den Spitzen in 2000 Segmente unterteilt wird.
Optische Interferometer messen Höhenänderungen, indem sie die Hell-Dunkel-Änderungen in regelmäßigen Interferenzstreifen messen.

Phase-Shifting-Interferometrie (PSI)

Bei der Verwendung von Interferenzstreifen, die von einer Lichtquelle mit einer Wellenlänge (monochrom) erzeugt werden, ist es nicht möglich zu bestimmen, ob die Form des Messobjekts eine aufsteigende oder absteigende Neigung aufweist. Dieses Problem kann jedoch durch den Einsatz der Phase-Shifting-Interferometrie gelöst werden.

Wie in der linken Abbildung dargestellt, ist das Interferenzmuster einer monochromen Lichtquelle sowohl bei aufsteigenden als auch bei absteigenden Neigungen identisch, was eine Richtungsbestimmung unmöglich macht. Um dieses Problem zu lösen, wird die Höhe gemessen, indem vier Interferenzstreifenbilder aufgenommen werden, während Objektiv und Messobjekt um λ/8 (1/8 Wellenlänge) der Lichtquelle bewegt werden. Dieses Messverfahren wird als Phase-Shifting-Interferometrie (PSI) bezeichnet.

Die Hauptmerkmale der Phase-Shifting-Interferometrie sind folgende:

1

Hochauflösende Messungen im Å-Bereich (Ångström) möglich
2

Kurze Messzeiten

Weißlicht-LED als Lichtquelle

Monochrome Interferenzstreifen
Die Interferenzstreifen sind trotz unterschiedlicher Höhen identisch.

Messung mit einer monochromen Lichtquelle

Wie in den linken Abbildungen gezeigt, sind bei einem Höhenunterschied von (1/2 + n) × der Wellenlänge λ der Lichtquelle keine Veränderungen in den Interferenzstreifen erkennbar, sodass die Bestimmung des korrekten Höhenunterschieds nicht möglich ist.

Mehrfarbige Interferenzstreifen

Messung mit Weißlicht

Bei Verwendung einer Weißlichtquelle werden die Interferenzstreifen auf der Messoberfläche im Brennpunkt des Objektives am stärksten und verschwinden bei Entfernung vom Brennpunkt. Durch die Verwendung einer zusammengesetzten Wellenform, die durch Überlagerung von Interferenzstreifen unterschiedlicher Wellenlängen entsteht, ist es möglich, die Spitzen der Interferenzintensität zu erkennen.

Messung von unebenen Oberflächen

Das 3D-Laserscanning-Mikroskop von KEYENCE mit integriertem Weißlichtinterferometer verwendet eine weiße LED, um die Intensität der Interferenzstreifen in jedem Höhenintervall durch Bewegen des Objektivs zu bestimmen. Höheninformationen aus der Brennpunktposition werden durch Verwendung eines Linearmaßstabs zur Messung der Objektivhöhe gewonnen, an dem die Interferenzstreifen am stärksten werden. Dieses Verfahren wird als Vertical-Scanning-Interferometrie (VSI) bezeichnet.

Linearmaßstab

Abtastung des Objektivs und Intensität der Interferenzstreifen

Der Unterschied zwischen den Interferenzintensitätsspitzen an den Punkten A und B gibt den Höhenunterschied an.

Hochpräzise Messung auch bei geringen Vergrößerungen

Die Höhenauflösung eines optischen Interferometers hängt nicht von der Vergrößerung des Objektivs ab, da eine zusammengesetzte Wellenform, die die Intensität der Interferenzstreifen darstellt, auch bei großer Tiefenschärfe des Objektivs durch Berechnung genau reproduziert werden kann.
Die Interferenzstreifen erscheinen in regelmäßigen Abständen, da die Lichtwellenlänge konstant ist.
Das bedeutet, wenn die verwendete Wellenlänge im Voraus bekannt ist, kann berechnet werden, wie die zusammengesetzte Wellenform aus der Interferenzstreifenintensität aussehen wird.
Hohe Auflösungen können dann erreicht werden, indem eine zusammengesetzte Wellenform, aus der in regelmäßigen Abständen erfassten Interferenzintensität, reproduziert und die reproduzierte zusammengesetzte Wellenform zur Verarbeitung zerlegt wird.

Intensität der Interferenzstreifen

Die Intensität der Interferenzstreifen wird aus den in regelmäßigen Abständen erfassten Interferenzstreifen mittels einer arithmetischen Formel reproduziert.

Zusammengesetzte Wellenform

Die Spitze der zusammengesetzten Wellenform ist die Brennpunktposition des Objektivs, und die Höhe kann durch Synchronisation mit dem Verfahrweg des Objektivs bestimmt werden.

Wichtige Aspekte der Weißlichtinterferometrie

Fokussierung

Bei einem Weißlichtinterferometer kann die Fokussierung auf dem Bildschirm schwierig sein, da die Interferenzsignale bei Messobjekten mit geringem Reflexionsgrad schwächer sind. Der Sensor des VK-X3000 kann dank der integrierten Laser-Autofokus-Funktion auch auf Messobjekte mit geringem Reflexionsgrad hochempfindlich fokussieren.

Neigungskorrektur

Um eine genaue Messung mit einem Weißlichtinterferometer zu gewährleisten, muss das Messobjekt ausgerichtet werden. Bei herkömmlichen Systemen mussten Anwender zur Ausrichtung des Messobjekts die Interferenzstreifen visuell prüfen und mehrmals nachjustieren. Das 3D-Laserscanning-Mikroskop von KEYENCE verfügt über eine integrierte Funktion zur Unterstützung der Neigungskorrektur, die jede Neigung des Messobjekts erkennt und automatisch den Korrekturwinkel berechnet. Die Möglichkeit, den Korrekturwinkel im Voraus zu bestimmen, ermöglicht eine einfache, zuverlässige und schnelle Anpassung.

Eigenschaften von reinen Weißlichtinterferometern

Vorteile	Nachteile
Vorteile Messung eines großen Sichtfeldes möglich. Messungen im Sub-Nanometer-Bereich sind möglich. Schnelle Messung	Nachteile Keine oder begrenzte Winkelcharakteristik Einsatz bei bestimmten Objekten eingeschränkt Messungen sind möglicherweise nicht möglich, wenn ein signifikanter Unterschied zwischen dem vom Referenzspiegel und dem vom Messbereich reflektierten Licht besteht. Weißlichtinterferometer eignen sich gut für spiegelnde Oberflächen, haben aber Schwierigkeiten bei der Messung von sehr rauen Proben mit steilen Winkeln. Neigungskorrektur erforderlich Vor der Messung muss eine Neigungskorrektur der Probe mit einem Goniometertisch durchgeführt werden. Gekippte Proben können zu eng beieinander liegenden Interferenzmustern führen, was die Messgenauigkeit beeinträchtigt. Einige Weißlichtinterferometrie-Systeme sind mit einem Kippmechanismus ausgestattet, der die Probenneigung automatisch korrigiert. Geringe Auflösung bei XY-Messungen Die Auflösung für XY-Messungen ist aufgrund der geringen Anzahl von Abtastpunkten niedrig. Empfindlich gegenüber Vibrationen Der Aufstellungsort ist aufgrund der hohen Vibrationsempfindlichkeit des Geräts begrenzt. Für die Installation sind schwingungsdämpfende Tische erforderlich.

Vorteile

Nachteile

Vorteile

Messung eines großen Sichtfeldes möglich.
Messungen im Sub-Nanometer-Bereich sind möglich.
Schnelle Messung

Nachteile

Keine oder begrenzte Winkelcharakteristik
Einsatz bei bestimmten Objekten eingeschränkt
Messungen sind möglicherweise nicht möglich, wenn ein signifikanter Unterschied zwischen dem vom Referenzspiegel und dem vom Messbereich reflektierten Licht besteht. Weißlichtinterferometer eignen sich gut für spiegelnde Oberflächen, haben aber Schwierigkeiten bei der Messung von sehr rauen Proben mit steilen Winkeln.
Neigungskorrektur erforderlich
Vor der Messung muss eine Neigungskorrektur der Probe mit einem Goniometertisch durchgeführt werden. Gekippte Proben können zu eng beieinander liegenden Interferenzmustern führen, was die Messgenauigkeit beeinträchtigt. Einige Weißlichtinterferometrie-Systeme sind mit einem Kippmechanismus ausgestattet, der die Probenneigung automatisch korrigiert.
Geringe Auflösung bei XY-Messungen
Die Auflösung für XY-Messungen ist aufgrund der geringen Anzahl von Abtastpunkten niedrig.
Empfindlich gegenüber Vibrationen
Der Aufstellungsort ist aufgrund der hohen Vibrationsempfindlichkeit des Geräts begrenzt. Für die Installation sind schwingungsdämpfende Tische erforderlich.

Das 3D-Laserscanning-Mikroskop überwindet die Grenzen von Weißlichtinterferometern

Lösungen für geringe Winkelcharakteristik

Schwierigkeiten bei Interferometern	Lösung mit dem 3D-Laserscanning-Mikroskop von KEYENCE
Schwierigkeiten bei Interferometern Bei der Messung von Objekten mit steilen Winkeln mit Interferometern können aufgrund der Konzentration von Interferenzmustern in diesen Bereichen keine genauen Informationen gewonnen werden.	Lösung mit dem 3D-Laserscanning-Mikroskop von KEYENCE Das konfokale Messsystem, welches die Laserreflexionsintensität zur Detektion nutzt, kann Flanken mit hohen Winkelcharakteristiken rauscharm messen.

Betrachtung mit Interferometer

Vergleich von Aufnahmen mit realen Messdaten

Gekrümmte Oberflächen können aufgrund von Interferenzeffekten nicht gemessen werden.

Betrachtung mit 3D-Laserscanning-Mikroskop

Vergleich von Aufnahmen mit realen Messdaten

Der Laser dringt in Vertiefungen ein, um Krümmungen zu erfassen.

Lösungen für eingeschränkte Messobjekte

Schwierigkeiten bei Interferometern	Lösung mit dem 3D-Laserscanning-Mikroskop von KEYENCE
Schwierigkeiten bei Interferometern Bei der Lichtinterferenz ist eine Messung schwierig, wenn die Oberfläche nicht gut reflektiert, was die Art der messbaren Objekte einschränkt. Eine Messung ist auch nicht möglich, wenn ein extremer Unterschied zwischen dem von der Referenzoberfläche und dem von der Messoberfläche reflektierten Licht besteht. Interferometer eignen sich gut für spiegelnde Oberflächen, haben aber Schwierigkeiten bei der Messung von Proben mit extremen Erhebungen und Vertiefungen sowie von Proben, deren Oberfläche nicht sehr reflektierend ist.	Lösung mit dem 3D-Laserscanning-Mikroskop von KEYENCE Das 3D-Laserscanning-Mikroskop verwendet einen Photomultiplier (PMT) mit einem breiten Empfindlichkeitsbereich. Dadurch können auch Messobjekte, die sowohl Bereiche mit hohem als auch mit niedrigem Reflexionsgrad aufweisen, genau gemessen werden.

Schwierigkeiten bei Interferometern

Lösung mit dem 3D-Laserscanning-Mikroskop von KEYENCE

Schwierigkeiten bei Interferometern

Bei der Lichtinterferenz ist eine Messung schwierig, wenn die Oberfläche nicht gut reflektiert, was die Art der messbaren Objekte einschränkt. Eine Messung ist auch nicht möglich, wenn ein extremer Unterschied zwischen dem von der Referenzoberfläche und dem von der Messoberfläche reflektierten Licht besteht. Interferometer eignen sich gut für spiegelnde Oberflächen, haben aber Schwierigkeiten bei der Messung von Proben mit extremen Erhebungen und Vertiefungen sowie von Proben, deren Oberfläche nicht sehr reflektierend ist.

Lösung mit dem 3D-Laserscanning-Mikroskop von KEYENCE

Das 3D-Laserscanning-Mikroskop verwendet einen Photomultiplier (PMT) mit einem breiten Empfindlichkeitsbereich. Dadurch können auch Messobjekte, die sowohl Bereiche mit hohem als auch mit niedrigem Reflexionsgrad aufweisen, genau gemessen werden.

Wenn der Reflexionsgrad der Referenzoberfläche 100 % beträgt und der Reflexionsgrad der Messoberfläche ebenfalls etwa 100 % ist, erscheinen klare Interferenzstreifen.
Beträgt der Reflexionsgrad der Messoberfläche jedoch nur 1 %, ist der Kontrast nicht so ausgeprägt.

Lösungen für Probleme, die eine Neigungskorrektur erfordern

Schwierigkeiten bei Interferometern	Lösung mit dem 3D-Laserscanning-Mikroskop von KEYENCE
Schwierigkeiten bei Interferometern Vor der Messung ist eine Neigungskorrektur der Probe mit einem Goniometertisch erforderlich. Da sich die Interferenzmuster bei einer geneigten Probe verdichten, kann keine ordnungsgemäße Messung durchgeführt werden.	Lösung mit dem 3D-Laserscanning-Mikroskop von KEYENCE Da das 3D-Laserscanning-Mikroskop von KEYENCE sowohl mit Weißlichtinterferometrie als auch mit konfokaler Laser-Scanning-Technologie ausgestattet ist, kann nahezu jede Probe gemessen werden, auch solche mit steilen Winkeln.

Lösungen für geringe laterale Auflösung

Schwierigkeiten bei Interferometern	Lösung mit dem 3D-Laserscanning-Mikroskop von KEYENCE
Schwierigkeiten bei Interferometern Da Interferometer mit Weißlicht arbeiten, entspricht die laterale Auflösung dieser Systeme der eines herkömmlichen optischen Mikroskops.	Lösung mit dem 3D-Laserscanning-Mikroskop von KEYENCE Das 3D-Laserscanning-Mikroskop von KEYENCE ist zusätzlich mit konfokaler Laser-Scanning-Technologie ausgestattet, mit der eine laterale Auflösung von bis zu 0,1 nm erreicht werden kann.

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