Nahfeldunterstützte kurzkohärente Interferenzmikroskopie für die 3D-Messung von Submikrometerstrukturen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Peter Lehmann
• Fachliche Zuordnung: Messsysteme
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 403920649

Die Interferenzmikroskopie bietet die Möglichkeit, 3D-Oberflächentopografien schnell und kontaktlos zu erfassen und topografische Messdaten bereitzustellen. In axialer Richtung sind Auflösungen im einstelligen Nanometerbereich möglich, in der lateralen Richtung ist die Auflösung aufgrund der Beugungsbegrenzung jedoch auf etwa eine halbe Lichtwellenlänge begrenzt. In der ersten Phase des Vorhabens wurde untersucht, inwieweit eine Nahfeldunterstützung durch auf das Messobjekt aufgebrachte Mikrokugeln die laterale Auflösung eines Interferenzmikroskops verbessern kann. Durch die Kugeln im Nahfeld der Oberfläche wird in den Abbildungsprozess eingegriffen, so dass Gitterperioden unterhalb der Beugungsgrenze des Mikroskops sichtbar werden. Dies wurde bisher ausschließlich für Systeme mit geringer und mittlerer numerischer Apertur gezeigt. Deshalb wurde für die experimentellen Untersuchungen der ersten Projektphase bewusst ein Linnik-Interferometer (Eigenbau) mit hoher numerischer Apertur (NA = 0,9, 100x Vergrößerung) verwendet, dessen theoretische laterale Auflösung bereits bei ca. 250 nm liegt. Durch die Mikrokugelunterstützung konnte eine Auflösungsverbesserung von ca. 10 % erreicht werden. Zur Erklärung der experimentellen Ergebnisse wurde ein Modell für das auflösungsverbessernde Verhalten von Mikrokugeln entwickelt. Dabei wurden die Phasenverläufe des elektromagnetischen Feldes im Nahfeld der Kugel durch rigorose Simulationen untersucht und der Abbildungsprozess mittels Transferfunktionen im 3D-Ortsfrequenzbereich analysiert. Um eine deutlichere Auflösungsverbesserung zu erzielen, soll in der hier beantragten Projektphase der Ansatz des nahfeldunterstützten Abbildungsprozesses mittels eines mikrooptischen Elements in Kombination mit einem fasergekoppelten interferometrischen Sensor anstelle des Interferenzmikroskops fortgeführt werden. Dabei wird ein interferometrisches Messprinzip erstmals direkt mit einem Photonic-Nanojet kombiniert. Das Nanojet-Phänomen entsteht auf der Rückseite von Mikrokugeln die mit ebenen Wellen beleuchtet werden. Mit einem durch Zwei-Photonen-Lithographie hergestellten mikrooptischen Element, das als Aufsatz auf eine fasergekoppelte Sonde realisiert wird, sollen mit sichtbarem Licht Photonic-Nanojets mit Durchmessern von ca. 300 nm erzeugt werden, was einer lateralen Auflösung von ca. 150 nm entspricht. Aufgrund einer periodischen Modulation des Abstands zum Messobjekt, die sich als Phasenmodulation des Interferenzsignals niederschlägt, werden Abstandsänderungen mit Auflösungen im einstelligen Nanometerbereich erfasst. Wird ein solcher Sensor in geringem Arbeitsabstand über das Messobjekt geführt, lässt sich die 3D-Topografie der Oberfläche mit einer lateralen Auflösung, die unterhalb der Abbeschen Auflösungsgrenze liegt, rekonstruieren. Die zu erforschende Methode ist somit zwischen mikroskopischen Fernfeld-Methoden und der optischen Nahfeld-Mikroskopie anzusiedeln.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen