Ob Silizium-Halbleiterherstellung, Korrosionsanalyse oder archäologische Untersuchungen: In immer mehr Anwendungsbereichen wird die Oberflächen-Metrologie zur Analyse der Topologie von Materialen verwendet. Diese Methode erfordert ein Mikroskop, mit dem sich selbst kleinste Details exakt und wiederholt darstellen lassen: ein konfokales Laser-Scanning-Mikroskop.

Für die Analyse von Oberflächen-Strukturen sind klare und präzise Bilder mit einer hohen Auflösung notwendig. Sie stellen winzige Oberflächen-Details so dar, dass sie von anderen Details in den Nachbarregionen unterschieden und vermessen werden können. Um dieses Ziel zu erreichen, gibt es verschiedene Technologien. Ein Kontakt-Profilometer beispielsweise zieht zur Messung der Oberflächenrauheit und Rauigkeit buchstäblich einen Arm über die Oberfläche des Materials. Bei Rasterelektronenmi-kroskopen (REM) müssen große Proben zerteilt und zunächst beschichtet werden, bevor sie in eine Vakuumkammer kommen. Diese Instrumente führen nicht nur zu einer Beschädigung der Probe, ein REM verlangt zudem ein großes Maß an Probenaufbereitung. Konfokale, optische Metrologiegeräte arbeiten dagegen kontaktfrei, wie das konfokale Laser-Scanning-Mikroskop (mcLSM) von Olympus. Dieses leistungsstarke Metrologie-Werkzeug ist speziell für Schichtdicken- und Rauheitsmessungen entwickelt worden und vermisst Strukturen aller Materialoberflächen. Es verfügt über einen 405 nm Laser, der mit der abgestimmten Optik für eine hohe Auflösung (lateral 120 nm) sorgt. Das mcLSM verbindet die berührungslose Arbeitsweise der Laser-Scanning-Technologie mit der Fähigkeit, fokussierte Proben genau darzustellen. Dadurch können außerordentlich klare und detaillierte optische Abbildungen von Proben erzielt werden, die bislang zu schwer aufzulösen gewesen wären.

Polarisation statt Fluoreszenz
Die für die optische Metrologie verwendeten konfokalen Systeme verfügen über einen anderen Aufbau als konfokale Laser-Scanning-Mikroskope für Life Sciences. Der Grund dafür ist, dass keine Fluoreszenzanregung auftritt und dadurch das Licht, das zu den Detektoren zurückreflektiert wird, dieselbe Wellenlänge besitzt wie das Licht, das auf die Proben-oberfläche trifft. Infolgedessen lässt sich zur Trennung des Beleuchtungs- und Reflexionspfades kein dichroitischer Spiegel einsetzen. Stattdessen verwendet das System Polarisation, um die beiden Pfade zu trennen. Laserlicht ist von Natur aus planpolarisiert. Wird es von einer Oberfläche reflektiert, verändert sich die Polarisationsebene in verschiedenen Graden abhängig vom Material und der Oberflächenbeschaffenheit. Demzufolge lässt sich das durch das Mikroskop zurückreflektierte Licht vom Beleuchtungslichtpfad unterscheiden. Am besten wird dies mit einem polarisierenden Strahlteiler erzielt, der das Beleuchtungslicht in die eine Richtung hindurch lässt, das reflektierte Licht aber in eine Foto-Vervielfacher-Röhre (PMT - photomultiplier tube) umleitet.

Aberrationskorrektur
Wenn Licht Linsen passiert oder von Spiegeln reflektiert wird, können sich seine Eigenschaften verändern und infolgedessen sphärische Wellenfrontaberrationen bilden, die die Schärfe des Bildes verringern. Die Optik in diesem System wurde daher so entwickelt, dass sie derartige Aberrationen eliminiert und im Ergebnis scharfe, fokussierte Bilder erzielt.
Die konfokale Lasertechnologie unter Verwendung eines 405 nm Lasers liefert allerdings keine Farbinformationen, die für die Interpretation von Eigenschaften bestimmter Proben wichtig sein könnten. Deshalb benutzen die Mikroskopiesysteme dieselbe Optik zur Erstellung von Auflicht-Hellfeldbildern, die sich mit den konfokalen Bildern verbinden lassen, um hochaufgelöste, vollfarbige Bilder zu liefern. Aus diesem Grund muss auch die Optik für chromatische Aberrationen (Aberrationen, die durch die unterschiedlichen Übertragungseigenschaften der verschiedenen Wellenlängen durch die Linsen, Prismen und Spiegel hervorgerufen werden) korrigiert sein.

Zweifach-Pinhole-Technologie
Die Qualität eines mit einem mcLSM generierten Bildes hängt nicht nur von der Optik ab, sondern auch vom Vorhandensein eines Pinholes (Lochblende) und dessen Größe. Da es direkt vor dem Detektor liegt, kann das System nur mit dem Licht Bilder erzeugen, das dieses kleine Loch passiert hat. Bei einer Veränderung der Pinhole-Größe wandelt sich dementsprechend auch der konfokale Effekt. Kleine Pinholes schließen mehr Licht aus, während größere Pinholes mehr Licht und infolgedessen mehr unscharfe Lichtanteile durchlassen. Je kleiner jedoch das Pinhole ausfällt, desto geringer ist auch die Schärfentiefe in jedem Bild. Wenn Proben sehr steile Neigungen haben, sind in den optischen Schnitten nicht genügend Informationen enthalten, um ein Bild der Flanke zu generieren. Instrumente, wie beispielsweise das Lext OLS4000 von Olympus, wurden deshalb so entwickelt, dass sie das reflektierte Lichtsignal, während es zurück durch den polarisierenden Strahlenteiler fällt, in zwei gleiche Lichtpfade trennen. Ein Pfad wird zu einem größeren Pinhole geleitet und der andere zu einem kleinen. Passend zu den erfassten Bildinformationen verwendet jede PMT einen anderen AD-Wandler. Die daraus resultierenden Ausgaben der zwei Pinholes werden miteinander verbunden und von der Software dargestellt. Dabei lässt sich der prozentuale Anteil, den jedes Signal zum Bild beisteuert, ganz einfach justieren, um dem Anwender die Kontrolle über das endgültige Bild zu geben. Im Ergebnis lässt sich eine Flankensteilheit von bis zu 85° klar darstellen und messen.

Auf MEMS basierender Laser-Scanner
Zur Generierung eines digitalen Bildes wird der Laserlichtstrahl in der xy-Ebene fokussiert und rastert dann - Linie für Linie - die Probenoberfläche ab. Das reflektierte Licht wird anschließend von demselben Spiegel entrastert. Zwei Kernfunktionen des Scanners, die sich für eine bessere Systemleistung optimieren lassen, sind die Größe und Geschwindigkeit des Scannerantriebs. Je größer der Spiegel ist, desto größer ist der optische Zoom. Dadurch wird der Anwender beim Imaging deutlich flexibler. Viele mcLSM-Systeme verwenden auf galvanischen Spiegeln basierende Scanner, die die nötige Genauigkeit liefern, um bei sämtlichen Vergrößerungen das Rasterabtastschema zu generieren. Die MEMS (mikro-elektronisch-mechanisches System)-Technologie bietet die Möglichkeit, die Scangeschwindigkeit zu steigern.

Rauheit
Ein Laser berührt bei Rauheitsmessungen die Oberfläche nicht und bleibt auch nicht an Klebstoffen oder komplexen Oberflächenstrukturen hängen, wie herkömmliche Abtastnadeln. Die optischen mcLSM-Metrologiegeräte lassen sich so einstellen, dass das Instrument die z-Verschiebung misst, indem es die Probe entlang einer definierten Linie in jegliche xy-Richtung abtastet. Dadurch lassen sich dieselben Rauheitsinformationen erfassen wie mit den herkömmlichen Kontaktsystemen - aber in wesentlich kürzerer Zeit. Darüber hinaus kann das konfokale System Flächenrauheitsscans durchführen, bei denen die Rauheit von ganzen Probenflächen gemessen wird. Diese aufkommende Technik vermittelt eine bessere Vorstellung der allgemeinen Oberflächenrauheit, weshalb für sie Standards eingeführt wurden (ISO 25178 - Geometrische Produktspezifikation [GPS] - Oberflächenbeschaffenheit: Flächenhaft).

Fazit
Die optische Metrologie setzt sich als bevorzugtes Verfahren in der Materialwissenschaft durch. Die optischen mcLSM-Metrologie-Systeme, wie beispielsweise das Lext OLS4000 von Olympus, erleichtern das Imaging und die Analyse kleinster Details einer Oberfläche. Eine speziell entwickelte Optik sorgt für die Entfernung von Wellenfrontaberrationen und gewinnt damit stets ein gestochen scharfes, klares Bild von jeder Probe. Zusammen mit der Zweifach-Pinhole-Technologie und einem modernen Hochgeschwindigkeits-MEMS-Laser-Scanner lassen sich selbst komplexe Oberflächen-Strukturen klar darstellen und somit feine Oberflächendetails messen.