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Charakterisierung von Oberflächen

Ultrapräzise Bearbeitung von Oberflächen braucht ultrapräzise Meßtechnik. Es müssen Körper in makroskopischen Abmessungen in Bezug auf Form und Glattheit mit einer Meßunsicherheit im Bereich von Nanometern oder Subnanometern vermessen werden. Hierbei ist zu unterscheiden zwischen der rein geometrischen Form der Flächen und ihrer optischen Wirkung in verschiedenen Wellenlängenbereichen auf einer Skala von der Mikroskopie bis zur Makroskopie. Rauheit und Defekte auf der Oberfläche oder in einem geringen Volumen unterhalb der Oberfläche müssen mit höchster lateraler Auflösung bestimmt werden.

Makrotopographie lateral
Für makroskopische Flächen bedeutet Ultrapräzision Formabweichung von Prüflingen zu einer gewünschten Sollform in der Größenordnung von Nanometern bis zu Zehntel Nanometern. Die Größen von Prüflingen reichen bis zu Durchmessern von mehreren Hundert Millimetern, die Formen der Oberflächen können mathematisch einfache Flächen aber auch allgemeine flache und steile Asphären sein.
Die Beantwortung der Frage, auf welche absolute Referenz zurückgeführt wird, ist entscheidend dafür, welche Meßgenauigkeit das Verfahren für sich beanspruchen kann: Beispiele sind körperliche Referenzen (Äquigravitations-Potentialfläche für Ebenen), mathematisch ideale Referenzen (Permutationsverfahren angewandt auf gleichartiger Prüflinge, Messung von Prüflingen in mehreren Stellungen), Abtastverfahren (Rückführung auf den Vollkreis bzw. auf die Länge) und insbesondere auch referenzfreie Verfahren wie Differenzverfahren. Bekannte Verfahren der Rückführung auf die mathematisch vorgegebene Sollform, die auf Permutationsmessungen von mehreren Flächen beruhen, existieren bisher nur für geometrisch einfache Flächen wie Ebenen, Sphären, Zylinder, Toroide, Ellipsen, Paraboloide, Kegel. Diese Verfahren sind technisch schwierig, sie erfordern einen hohen Justieraufwand und hohe Reproduzierbarkeit der interferometrischen Messungen.
Absolute Methoden für die Messung von allgemeinen Asphären sind nicht bekannt, weil diese nicht die erforderlichen Symmetrieeigenschaften besitzen, die zur Absolutprüfung bei den bekannten Permutationsverfahren ausgenutzt werden. Dies ist eine besondere Herausforderung für die zukünftige Meßtechnik, die bislang nicht gelöst ist.
Die Geometrie der Prüflinge (Dicke, Material), ihre mechanische Halterung (Deformation durch Auflagerung), der Einfluß der Gravitation (liegend, stehend) und Temperatureinflüsse (Ausdehnung, Deformation) wirken sich auf die zu charakterisierenden Oberflächen aus. Es muß gewährleistet sein, daß diese Einflüsse genügend gut beherrscht sind, damit die geforderte geringe Meßunsicherheit erreichbar ist.
Für Messungen der Form mit geringen Ansprüchen an die laterale Auflösung ( > 1 mm) kommen insbesondere interferometrische Meßverfahren in Frage, deren laterales Auflösungsvermögen relativ gering ist. Ein Vorteil von Interferometern gegenüber Abtastverfahren ist, daß es sich hier um ein zweidimensionales Meßverfahren handelt. Die Tiefenauflösung hochwertiger Interferometer liegt in der Größenordnung von Subnanometern, die Reproduzierbarkeit eher in der Größenordnung einiger Nanometer. Die Meßunsicherheit hängt außer von der Reproduzierbarkeit besonders von der Rückführung auf ein Normal ab, da ein Interferometer ein relativ messendes Gerät ist.
Bei der Messung der Form mit mittlerer lateraler Auflösung (< 1 mm) tut sich eine Lücke in den verfügbaren hochpräzisen Meßmethoden und Meßapparaturen auf. Hier sind einige Versuche mit Interferometern gemacht worden, Auflösungen von deutlich unter 1 mm zu erzielen, deren Ergebnisse bisher eher bescheiden sind.

Mikrotopographie lateral
Für Anwendungen im DUV/EUV und im Röntgen-Bereich sind zunehmend außerordentlich glatte Oberflächen gefordert. Es werden zwei grundsätzlich unterschiedliche Verfahrensweisen angewendet, um die „Glattheit“ zu ermitteln, nämlich einmal integrierende Verfahren wie die Streulichtmessung und zum anderen scannende Verfahren mit Rastersonden zur Ermittlung von Größen wie dem Leistungsspektren der Rauheit. Hier spielen Simulationsrechnungen und Theorien zusammen mit inversen Strategien zunehmend eine wichtige Rolle.
Die Messung der mikroskopischen Form muß mit hoher lateraler Auflösung (µm oder nm) durchgeführt werden. Traditionell wird dieser Bereich mit mechanisch abtastenden System abgedeckt, die hohe aber lateral begrenzte Auflösung anbieten. Hier hat es in den letzten Jahren große Fortschritte nach Einführung neuer Abtastmethoden wie beispielsweise dem Raster-Tunnel-Mikroskop, dem Raster-Kraft-Mikroskop und dem optischen Nahfeld-Mikroskop gegeben. Höchste laterale Auflösung geht im allgemeinen damit einher, daß die zur Untersuchung zur Verfügung stehenden Oberflächen klein bis sehr klein sind, in den Lineardimensionen typischerweise mehrere Größenordnungen kleiner als die zur Untersuchung anstehenden gesamten Oberflächen mit makroskopischen Ausdehnungen von bis zu mehreren 100 mm.

Optische Wirkung im DUV/EUV
Die optische Wirkung von Flächen hängt außer von ihrer rein geometrischen Form auch von anderen Parametern ab: Hat die Oberfläche durch örtlich unterschiedliche Bearbeitung unterschiedliche optische Konstanten, die bei der Reflexion Topographien durch variierende Phasensprünge vortäuschen? Welche Wechselwirkung mit der Oberfläche hat die Strahlung bei der späteren Benutzung? Wird bei der späteren Benutzung genau die Wechselwirkung zur gewünschten optischen Wirkung führen, welche die Interferometrie anzeigt? Ist dies nicht der Fall, weil Messung und Benutzung mit sehr unterschiedlichen Wellenlängen der Strahlung stattfinden? Welche Einflüsse haben Rauheit und Defekte? Welche geometrischen und optischen Einflüsse haben Mehrfachschichten oder Vielfachschichten auf den Oberflächen?
Die optische Wirkung ist unterschiedlich in verschiedenen Wellenlängenbereichen von der harten Röntgenstrahlung über EUV, VUV, US, VIS bis zur Infrarotstrahlung. Diese Fragen müssen durch Kombinationen einer Vielzahl verschiedener optischer, mechanischer und anderer Verfahren aufgeklärt werden. Ein wesentliches Stichwort in diesem Zusammenhang ist die sog. Wellenlängen-Skalierung, d. h., Anwendung der Oberflächen bei Strahlung mit kurzen bis sehr kurzen Wellenlängen, Messung der Oberflächen bei Strahlung mit längeren bequem handhabbaren Wellenlängen und geeignete Theorien zur Umrechnung der Einflüsse bei den verschiedenen Wellenlängen.

Mikrotopographie in Tiefenrichtung
Die mechanisch-physikalisch-chemische Beschaffenheit der Oberflächen und geringer Volumina unterhalb der Oberflächen einschließlich lokaler Defekte muß untersucht werden, um die immer komplexeren Schichtsysteme zur Verbesserung der Entspiegelung und Verspiegelung für das DUV/EUV, für den Infrarotbereich und für Röntgenbereich zu charakterisieren. Hierzu werden Messungen mit unterschiedlicher lateraler Auflösung und definierter Tiefenwirkung durchgeführt, welche die mechanischen und physikalischen Eigenschaften und die chemische Zusammensetzung sowohl lateral als auch in der Tiefe messen und damit die Wechselwirkung der elektromagnetischen Strahlung mit der transmittierten oder reflektierten Strahlung zu quantifizieren gestatten. Hierzu kann eine Fülle verschiedenster Verfahren angewendet werden.

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