High-resolution single-shot measurement of semi-transparent films by Chromatic Confocal Coherence Tomography (CCCT)
Optics, Quantum Optics and Physics of Atoms, Molecules and Plasmas
Final Report Abstract
Im Rahmen des Projekts wurde die Chromatisch-Konfokale Kohärenz-Tomographie untersucht. Diese Kombination von chromatisch-konfokaler und spektralinterferometrischer Technik erlaubt erstmals die gleichzeitige single-shot Messung von lateral wie axial hochaufgelösten Topographieinformationen und der Brechungsindizes von mehrschichtigen Proben. Sie ist als zweiter Messmodus zusammen mit der in den letzten Jahren am ITO erforschten Chromatisch- Konfokalen Spektral-Interferometrie in einem flexiblen multi-modalen Sensor integrierbar. In diesem Sensor liegen die chromatisch-konfokale und die interferometrische Information als unabhängige Kanäle der Auswertung vor. Bei der Messung an Mehrschichtproben wird für jede Grenzschicht die fokussierte Wellenlänge (und somit die absolute Position bezogen auf eine vorangegangene Kalibrierfahrt) und die optische Weglänge mit Bezug auf den Referenzspiegel bestimmt. Für jedes Grenzflächen-Paar erhält man so einen chromatisch-konfokal und einen interferometrisch bestimmten Abstand. Wird die Unterseite einer Schicht mit gegenüber der umgebenden Luft erhöhtem Brechungsindex angemessen, werden die betroffenen Wellenlängen tiefer als bei der Kalibrationsfahrt in Luft fokussiert, während die auf der Oberfläche fokussierten Wellenlängen nicht gestört werden. Durch diese Streckung der chromatischen Aufspaltung wird bei der konfokalen Messung die Schichtdicke abhängig vom Brechungsindex und der genutzten NA unterschätzt. Da die interferometrische Messung optische Weglängen auswertet, wird die geometrische Schichtdicke hier abhängig vom Brechungsindex überschätzt. Werden diese beiden Informationskanäle nun kombiniert, können gleichzeitig die geometrische Schichtdicke und der Brechungsindex rekonstruiert werden. Durch die Verwendung eines brechkraftkompensierten hybriden diffraktiven Elements zur chromatischen Fokusaufspaltung und seine Positionierung nahe der rückseitigen Brennebene des Mikroskopobjektivs wird eine hohe und über den gegenüber der Schärfentiefe deutlich vergrößerten Messbereich nahezu gleichbleibende NA ermöglicht. Zur robusten und hochaufgelösten Auswertung der Messsignale wurde ein verbessertes Signalmodell erstellt, das beispielsweise auch die Modellierung systematischer Sensoraberrationen ermöglicht. Auf Basis des Modells und an Messsignalen von Proof-of-Concept-Messungen wurden unterschiedliche Auswertungsmethoden untersucht und optimiert. Abweichend vom Projektplan gelang es nicht, einen stabilen Reinraumprozess zur Herstellung der gewünschten vergleichsweise dicken Fotolack-Proben als Referenzobjekte zu erreichen. Die Proofof-Concept-Messungen wurden daher an dünnen Glas-, Diamant- und Kunststoff-Proben verschiedener Dicken und Brechungsindices durchgeführt. Die ermittelten Messwerte für Dicke und Brechungsindex wichen dabei im unteren einstelligen Prozentbereich von den Referenzwerten ab. In einer ersten Analyse von Fehlereinflüssen zeigte sich, dass ein großer Anteil der gesamten Messunsicherheit auf die Unsicherheit der Ergebnisse des konfokalen Informationskanals entfällt, die mit einfachen Methoden nicht deutlich reduziert werden kann. Von großer Wichtigkeit ist auch die Kenntnis der effektiven System-NA, die in Zukunft potentiell als freier Parameter einer modellgestützten Auswertungsmethode mitgeführt werden kann, statt als A-priori-Wissen benötigt zu werden. In einer nachfolgenden Projektphase sollte auch eine detaillierte quantitative Charakterisierung des Verfahrens erfolgen, sowie eine robuste automatisierte Möglichkeit geschaffen werden, die durch lokale Gradienten und Oberflächen-Krümmungen hervorgerufene axiale und laterale Verschiebung von Messpunkten in der Probe zu kompensieren.
Publications
- “Chromatic Confocal Coherence Tomography (CCCT) for multi-layer measurement,” in Proc. EOSAM, 2016
T. Boettcher, T. Hofer, M. Gronle, and W. Osten
- “Multi-layer topography measurement using a new hybrid single-shot technique: Chromatic Confocal Coherence Tomography (CCCT),” Opt. Express, vol. 25, no. 9, 2017
T. Boettcher, M. Gronle, and W. Osten
(See online at https://doi.org/10.1364/OE.25.010204) - “Simultaneous Measurement of Thickness and Refractive Index by Chromatic Confocal Coherence Tomography (CCCT),” in Proc. AMA Sensor, 2017
T. Boettcher, M. Gronle, and W. Osten
(See online at https://doi.org/10.5162/sensor2017/B8.3) - “Single-shot multilayer measurement by Chromatic Confocal Coherence Tomography,” in Proc. SPIE Optical Metrology, vol. 10329, 2017
T. Boettcher, M. Gronle, and W. Osten
(See online at https://doi.org/10.1117/12.2270270) - “Combining Chromatic Confocal Microscopy and Spectral Interferometry into a single-shot high-precision multi-purpose measurement device,” in Proc. EUSPEN, 2018
T. Boettcher, T. Haist, and W. Osten
- “Von Topographie bis Brechungsindex: Flexibles multimodales Messen mittels Fusion chromatisch-konfokaler und spektralinterferometrischer Technik,” tm - Tech. Mess., vol. 85, no. 7–8, 2018
T. Boettcher and W. Osten
(See online at https://doi.org/10.1515/teme-2017-0134)
