Kurzinfo Profilometrie

  • 2D und 3D Abbildung und Vermessung von Oberflächentopographien
  • Messung von Rauheiten (Rauheitsparameter wie Ra, Rq)
  • Ausmessen von Stufenhöhen, z.B. zur Bestimmung von Schichtdicken
  • Berührungsloses und damit zerstörungsfreies Messverfahren
  • Analyse unter Umgebungsbedingungen

Technische Daten

Laterale Auflösung: ca. 0,5 µm
Vertikale Auflösung: bis zu 0,3 nm
Messbereich Lateral: ~ cm²
Max. messbare Stufenhöhe: bis ca. 1 mm

Details

Optische Weisslichtprofilometrie

Mittels optischer Profilometrie kann die Topographie einer Oberfläche berührungslos mit einer vertikalen Auflösung im Nanometerbereich und einer lateralen Auflösung im Bereich von ca. 0,5 µm untersucht werden.

Funktionsprinzip

Das bei nanoAnalytics eingesetzte Profilometrie-Verfahren wird als Weißlicht-Profilometrie bezeichnet. Es handelt sich dabei um ein berührungslos arbeitendes, optisches Verfahren. Das Profilometer kann dabei in zwei verschiedenen Betriebsmodi verwendet werden. Dem sogenannten PSI-Modus (Phase-shifting interferrometry) und dem VSI-Modus (vertical-scanning interferometry). Beide werden im Folgenden kurz beschrieben.


PSI Modus

Abb.: Schmiertaschen auf einem Stahlblech

Der PSI-Modus eignet sich vor allem zur Messung glatter Probenoberflächen. Dazu wird weißes Licht zunächst durch einen Filter und ein Interferometer-Objektiv (ein Objektiv mit integriertem Interferometer-Aufbau) auf die zu untersuchende Probenoberfläche geleitet. Der Strahlteiler des Interferometers reflektiert die eine Hälfte des eingestrahlten Lichtes auf einen Referenzspiegel innerhalb des Objektives. Der andere Teil des Strahles wird auf die Probe geleitet und von dieser reflektiert. Der von der Probe sowie der vom Referenzspiegel reflektierte Anteil werden auf dem Rückweg zur Interferenz gebracht. Dies führt zu einem Interferenzmuster (engl. fringes). Wird nun der Referenzspiegel mit Hilfe eines piezoelektrischen Wandlers bewegt, so variiert das Interferenzmuster. Mit Hilfe eines Kamerasystems wird die Variation des Interferenzmusters in Abhängigkeit von der bekannten Bewegung des Referenzspiegels aufgezeichnet. Aus diesen Daten kann dann die Lateralverteilung der relative Höhe der gemessenen Probenoberfläche berechnet werden.


VSI Modus

Um rauhere Probenoberflächen zu untersuchen, ist der sogenannte VSI-Modus besser geeignet. Das grundlegende Messprinzip entspricht mit Variationen dem des PSI-Modus. Allerdings wird im VSI-Modus weißes Licht verwendet und die Auswertung der Kameradaten wird nach einem etwas anderen Verfahren durchgeführt.

Während der Messung wird das komplette Interferrometer-Objektiv, inklusive Kamerasystem, vertikal zur Probenoberfläche bewegt. Auf diese Weise kann die Oberfläche in Abhängigkeit von der Messkopfposition quasi abgescannt werden. Während dieser Bewegung wird kontinuierlich mit Hilfe des Kammerasystems die Veränderung des Interferrenzmusters auf der Oberfläche aufgezeichnet. Mit Hilfe komplexer Algorythmen wird die Einhüllende des gemessenen Interferrenzsignals (vgl. Abbildung) berechnet. Mit Hilfe dieser Daten kann für jeden Punkt des Kamerabildes eine Höheninformation bestimmt werden.


Erreichbare Auflösung

Abb.: Oberflächenstruktur eines Qualitätspapieres

1.) Laterale Auflösung

Die laterale Auflösung ist im Wesentlichen durch die optischen Eigenschaften der eingesetzten Objektive und das Kamerasystem bestimmt. Sie liegt typischerweise im Bereich um 0,5 µm.

2.) Vertikale Auflösung

Die erreichbare vertikale Auflösung hängt von dem gewählten Messmodus (PSI / VSI) sowie von der Probengeometrie ab. Man kann die Präzision wie folgt abschätzen:

Modus Vertikale Auflösung
  Einfache Messung Gemittelte Messung
PSI 0,3 nm 0,3 nm
VSI 3 nm < 1 nm

 


Anwendungsbeispiele