Confocal Linnik white-light interferometer for micro- and nanostructure measurement with high lateral resolution
Final Report Abstract
Während der ersten Phase der Projektlaufzeit wurde ein neuartiges konfokalinterferometrisches Messsystem mit einer über Mikrospiegel steuerbaren strukturierten Beleuchtung realisiert, analysiert und optimiert. Dabei entstand ein flexibel konfigurierbares, flächenhaft messendes Interferenzmikroskop mit hoher lateraler Auflösung. Die Nutzung eines Mikrospiegelarrays im Beleuchtungsstrahlengang erlaubt die Untersuchung unterschiedlicher Beleuchtungsszenarien. Aufgrund der großen Lichtverluste im Strahlengang des Interferenzmikroskops wurden zur Beleuchtung des Mikrospiegelarrays leistungsstarke blaue bzw. weiße LED-Module eingesetzt. In der ersten Projektphase wurde u. a. gezeigt, dass sich Batwing-Artefakte durch konfokale Beleuchtung zwar deutlich reduzieren, aber nicht komplett vermeiden lassen. In der zweiten Phase der Projektlaufzeit wurde ein Lichtquellenmodul auf der Basis von LEDs realisiert, bei dem die mittlere Lichtwellenlänge gezielt über die Ansteuerung der einzelnen unterschiedlich farbigen LEDs eingestellt werden kann. Um die an Kanten und steilen Flanken auf einem Messobjekt auftretenden Störeffekte systematisch untersuchen zu können, wurden zusätzlich zur Wellenlängenvariation auch Stufennormale mit unterschiedlichen Stufenhöhen untersucht. Parallel zu den experimentellen Untersuchungen entstand ein theoretisches Modell, das das Streu- und Reflexionsverhalten des Lichtes an Kanten und Flanken für Interferenzmikroskope mit großer numerischer Apertur betrachtet und es gestattet, die für die Weißlichtinterferometrie typischen Signalverläufe zu simulieren. Dieses Modell wurde schrittweise erweitert und mit den experimentellen Daten abgeglichen, bis die experimentellen Resultate auf der Grundlage des Simulationsmodells erklärt werden konnten. Dabei zeigten sich an Höhenstufen neben systematischen Änderungen der anhand der Interferenzsignale bestimmten effektiven Wellenlänge auch polarisationsabhängige Effekte. Beide Phänomene lassen sich durch die Wahl der mittleren Lichtwellenlänge beeinflussen. Um die Polarisationsabhängigkeit in das theoretische Modell einbeziehen zu können, wurde sowohl die Winkelabhängigkeit der Fresnelschen Reflexionskoeffizienten berücksichtigt als auch der stark polarisationsabhängige Effekt der Kantenbeugung. Zudem musste das Simulationsmodell auf drei Raumdimensionen erweitert werden, um die unterschiedlichen Polarisationsrichtungen in der Einfallsebene und senkrecht dazu berücksichtigen zu können. Die DMD-Beleuchtung wurde in der zweiten Phase der Projektlaufzeit vornehmlich für die strukturierte Beleuchtung mit periodischen Streifenmustern optimiert und mit dem Ziel eingesetzt, eine verbesserte laterale Auflösung zu erreichen. Die Auflösungsverbesserung konnte bei blauer bzw. weißer LED-Beleuchtung an Rechteckgittern mit Perioden von 300 bzw. 400 nm experimentell nachgewiesen werden. In beiden Fällen konnten die Gitterstrukturen bei Verwendung der strukturierten Beleuchtung lateral aufgelöst werden, d. h. die gemessene Profilhöhe beträgt mindestens 50 % der wirklichen Profilhöhe. In diesem Zusammenhang wurde außerdem eine Strategie zur Bestimmung der Profilhöhe durch Variation der Wellenlänge, bei der die Phasenlage der gemessenen Interferenzsignale ausgewertet wird, entwickelt. Die Messergebnisse von Rechteckgitternormalen zeigen eine starke systematische Amplitudenabhängigkeit von der zur Phasenauswertung verwendeten Auswertewellenlänge. Ein Effekt, dessen Ursache innerhalb der Projektlaufzeit noch nicht vollständig geklärt werden konnte, besteht in der Gegenphasigkeit von gemessenen Rechteckprofilen mit Periodenlängen nahe der optischen Auflösungsgrenze, bei denen derselbe Datensatz mittels Hüllkurven- und Phasenauswertung analysiert wird. Ein Vergleich der gemessenen Profilverläufe mit dem Sollprofil im Randbereich des Gitters zeigt, dass die aus der Phasenauswertung resultierenden Profile in diesen Fällen invertiert sind.
Publications
- 3-D optical interference microscopy at the lateral resolution limit, International Journal of Optomechatronics 8, Issue 4 (2014) 231-241
P. Lehmann, J. Niehues, S. Tereschenko
(See online at https://doi.org/10.1080/15599612.2014.942924) - Signal formation in depth-scanning 3D interference microscopy at high numerical apertures, SPIE Proceedings 9660, Speckle 2015, 966015
P. Lehmann, W. Xie
(See online at https://doi.org/10.1117/12.2197635) - Fundamental aspects of resolution and precision in vertical scanning white-light interferometry, Surf. Topogr.: Metrol. Prop. 4, 0214004 (2016) 1-10
P. Lehmann, S. Tereschenko, W. Xie
(See online at https://doi.org/10.1088/2051-672X/4/2/024004) - Influences of edges and steep slopes in 3D interference and confocal microscopy. SPIE Proceedings 9890 (2016) 9890-34
W. Xie, S. Hagemeier, C. Woidt, H. Hillmer, P. Lehmann
(See online at https://doi.org/10.1117/12.2228307) - Signal modeling in low coherence interference microscopy on example of rectangular grating, Optics Express 24 (2016) 14283-14300
W. Xie, P. Lehmann, J. Niehues, S. Tereschenko
(See online at https://doi.org/10.1364/OE.24.014283)
