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2003
Doctoral Thesis
Titel
Ein spiegelmatrix-basiertes optisches 3D-Messsystem für die Mikrostrukturprüfung
Abstract
Das Ziel der Arbeit ist die Konzeption, der Aufbau und die Validierung eines neuartigen, flexiblen und kostengünstigen optischen Oberflächen-Messsystems mit einer Auflösung im Sub-Mikrometer-Bereich u.a. zur Inspektion von Mikrostrukturen. Kernpunkt ist dabei die Sonderanwendung der für die digitale Bildprojektion eingesetzten Mikrospiegelmatrix ""Digital Micromirror Device"" (DMD) des US-amerikanischen Halbleiterherstellers Texas Instruments. Das hierbei entwickelte Messsystem lässt Ähnlichkeiten zu Autofokusverfahren und konfokaler Mikroskopie erkennen, ersetzt jedoch die klassischen lateralen Abtastsysteme, wie beispielsweise die heute weit verbreitete rotierende Nipkow-Scheibe, die aus einer Vielzahl spiralförmig angeordneter Lochblenden besteht, durch den DMD. Die Arbeit beschreibt die grundlegende Funktionsweise des entwickelten Messsystems unter besonderer Betrachtung des optischen Aufbaus und der Funktion des DMD als laterales optisches Abtastinstrument. Im Speziellen wird dabei erläutert, welche prinzipiellen Verfahren zur Gewinnung von 3D-Höheninformationen angewandt werden, wie mit Rauschen umgegangen wird, welche Interpolationsstrategien herangezogen werden können und wie unsichere Messpunkte erkannt werden. Ferner stellt sie den Einfluss optischer Phänomene dar, die auf den Einsatz des DMD zurückzuführen sind. Abschließend werden exemplarisch einige Topographie-Messergebnisse des Systems präsentiert und weitere Einsatzmöglichkeiten demonstriert. Mit dem vorgestellten DMD-basierten Messsystem lassen sich Oberflächenprofile mit lateralen Ausdehnungen zwischen 73µm x 73µm und 730µm x 730µm mit einer vertikalen Auflösung von bis zu rund 20 nm optisch messen.
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The goal of the work is the conception, design and validation of a new, flexible and low-priced optical surface measuring system with a resolution in the submicrometer range, i.e. for the inspection of microstructures. Quintessential point is the application of semiconductor-manufacturer Texas Instruments digital micromirror device (DMD). The developed measuring system shows similarities to autofocus methods and confocal microscopy, however, replacing the classical lateral scanning systems, as for example the wide-spread rotating Nipkow disk, which consists of a number of pinholes arranged in spirals, by the DMD. The work describes the fundamental functionality of the developed measuring system with special respect to the optical system design and the use of the DMD as lateral optical scanning instrument. It is specifically described, which principle procedures are used for the reproduction of the measured 3D-topography, how noise is handled, which interpolation strategies can be applied, how uncertain measuring points are recognized and which optical effects arise from the use of the DMD. Finally, some topography measurement-results obtained from the system are presented and further applications are demonstrated. With the presented DMD-based measuring system surfaces with lateral expansions between 73µm x 73µm and 730µm x 730µm can be measured optically with a vertical resolution of up to approximately 20 nm.
ThesisNote
Zugl.: Aachen, TH, Diss., 2012