Verfahren zum Bestimmen eines Höhenprofils und

(19)
*DE102010044318B320120119*
(10)
(12)
DE 10 2010 044 318 B3 2012.01.19
Patentschrift
(21) Aktenzeichen: 10 2010 044 318.2
(22) Anmeldetag: 03.09.2010
(43) Offenlegungstag: –
(45) Veröffentlichungstag
der Patenterteilung: 19.01.2012
(51) Int Cl.:
G01B 11/30 (2006.01)
G01B 11/02 (2006.01)
Innerhalb von drei Monaten nach Veröffentlichung der Patenterteilung kann nach § 59 Patentgesetz gegen das Patent
Einspruch erhoben werden. Der Einspruch ist schriftlich zu erklären und zu begründen. Innerhalb der Einspruchsfrist ist
eine Einspruchsgebühr in Höhe von 200 Euro zu entrichten(§ 6 Patentkostengesetz in Verbindung mit der Anlage zu § 2
Abs. 1 Patentkostengesetz).
(73) Patentinhaber:
Bundesrepublik Deutschland, vertr.d.d.
Bundesministerium für Wirtschaft und
Technologie, d.vertr.d.d. Präsidenten der
Physikalisch-Technischen Bundesanstalt, 38116,
Braunschweig, DE
(74) Vertreter:
GRAMM, LINS & PARTNER GbR, 38122,
Braunschweig, DE
(72) Erfinder:
Reinsch, Heiko, 38159, Vechelde, DE
(56) Für die Beurteilung der Patentfähigkeit in Betracht
gezogene Druckschriften:
DE
US
US
100 09 870
6 184 994
7 140 119
A1
B1
B2
(54) Bezeichnung: Verfahren zum Bestimmen eines Höhenprofils und Vorrichtung zur Durchführung desselben
(57) Zusammenfassung: Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Bestimmen eines Höhenprofils einer Oberseite (2) eines Prüfkörpers (4) mit folgenden Schritten:
a) Bestimmen eines ersten Teilhöhenprofils eines ersten
Teils (10) der Oberseite (2) des Prüfkörpers (4) mittels eines
Interferometers (14), wobei sich der Prüfkörper (4) in einer
ersten Position befindet,
b) Drehen des Prüfkörpers (4) um einen vorbestimmten Winkel α1 in eine zweite Position,
c) Bestimmen eines ersten Kippwinkels β1, um den der Prüfkörper (4) beim Drehen in die zweite Position relativ zur ersten Position verkippt wurde,
d) Bestimmen eines zweiten Teilhöhenprofils eines zweiten
Teils (20) der Oberseite (2) des Prüfkörpers (4) mittels des
Interferometers (14), wobei sich der Prüfkörper (4) in der
zweiten Position befindet,
e) Bereinigen des zweiten Teilhöhenprofils um die Verkippung um den ersten Kippwinkel β1,
f) Zusammenfügen des ersten Teilhöhenprofils und des
zweiten Teilhöhenprofils zu einem Höhenprofil des ersten
Teils (10) und des zweiten Teils (20) der Oberseite (2) des
Prüfkörpers (4).
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Beschreibung
[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Höhenprofils einer Oberseite eines
Prüfkörpers. Die Erfindung betrifft zudem eine Vorrichtung zum Durchführen eines derartigen Verfahrens.
[0002] Die genaue Vermessung eines Höhenprofils
einer Oberseite eines Prüfkörpers ist für eine Vielzahl
technischer Anwendungen relevant. Beispielhaft sei
hier die Mikroprozessorherstellung genannt, bei der
so genannte Halbleiterwafer als Substrat für die elektronischen Bauelemente, insbesondere für die integrierten Schaltkreise, dienen. Um auf diese Wafer die
elektronischen Bauelemente aufbringen zu können,
ist es wichtig, den Wafer eben zu lagern. Dabei wird
er auf einer Halteplatte aufgelegt, die natürlich ebenfalls möglichst eben sein muss.
[0003] Es ist heute möglich, durch bestimme Verfahren selbst einzelne Atomlagen von einer Oberfläche einer derartigen Auflagefläche zu entfernen. Damit diese Verfahren anwendbar sind, muss jedoch zunächst festgestellt werden, an welcher Stelle Material von der Oberseite zu entfernen ist. Dafür muss
ein Höhenprofil der Oberseite eines derartigen Auflageelementes erstellt werden. Ein Höhenprofil im Sinne der Erfindung ist also insbesondere ein zweidimensionales Höhenprofil, also eine „Höhenkarte” der
Oberseite, also der zu vermessenden Seite, des Prüfkörpers.
[0004] Dies geschieht heute beispielsweise mittels
eines Interferometers.
[0005] Dabei wird beispielsweise Licht einer bestimmten Wellenlänge auf die zu betrachtende Oberfläche gesendet und von dort zurückreflektiert. Das
Licht durchläuft auf seinem Weg von der Lidhtquelle
zum Prüfkörper unter anderem einen Aufweiter, also
eine Optik, mit der es zu einem möglichst homogenen
Lichtbündel aufgeweitet wird. Der Durchmesser dieses aufgeweiteten parallelen Lichtbündels ist dabei
von Anwendung zu Anwendung unterschiedlich. Bevor des Licht das Interferometer verlässt, durchlauft
es als letztes eine Referenzscheibe, an der bereits
ein Teil de Lichtes reflektiert wird. Mit diesem Teil wird
das vom Prüfkörper reflektierte Licht zur Inteferenz
gebracht. Anhand des Interferenzbildes kann ein Höhenprofil der abzutastenden Oberseite des Prüfkörpers erstellt werden.
[0006] Je größer die abzutastende Oberseite des
Prüfkörpers ist, desto größer müssen der Aufweiter und damit das parallele Lichtbündel sein. Dadurch sind größere Interferometer, die einen großem
Durchmesser des Aufweiters besitzen, sehr teuer.
Zudem muss, wenn beispielsweise der Durchmesser
des Aufweiters und damit des Interferometers ver-
doppelt wird, auch die Detektionsoptik und -elektronik
doppelt so groß ausgelegt werden, um die gleiche laterale Auflösung des Höhenprofils zu erreichen. Auch
dadurch steigen die Herstellungskosten für eine Vorrichtung zum Bestimmen des Höhenprofils der Oberseite des Prüfkörpers.
[0007] Um aus dem Interferenzbild der überlagerten
Lichtwellen auf das Höhenprofil der Oberseite des
Prüfkörpers schließen zu können, muss das Höhenprofil der Oberseite der Referenzscheibe, die den Abschluss des Interferometers bildet und an der der erste Teil des Lichtes reflektiert wird, sehr genau bekannt sein. Zunächst muss also die Oberseite dieser
Referenzscheibe ausgemessen werden.
[0008] Dies geschieht heutzutage zumeist mit Hilfe
des so genannten ”Drei-Platten-Tests”. Damit ist es
möglich, mit drei ebenen Platten, von denen zwei als
Referenzplatten mit Referenzoberflächen wirken, die
Oberfläche der dritten Platte auszumessen. Auch für
dieses Verfahren steigen die Kosten mit größerem
Durchmesser der Platten sehr stark an. Zudem ist
nachteilig, dass zum einen zwei Referenzplatten vorhanden sein müssen, deren Oberflächenhöhenprofil sehr genau bekannt sein muss, und zum anderen
wenigstens eine dieser Platten bei der Durchführung
des Drei-Platten-Tests umgedreht werden muss, damit auch eine Rückseite dieser Platte vermessen werden kann. Dadurch ist der Drei-Platten-Test aufwändig und relativ fehleranfällig.
[0009] Aus der US 6,184,994 B1 ist eine erweiterte Version des „Drei-Platten-Tests” bekannt. Damit
können neben planaren auch kugelförmige Objekte
untersucht werden. Dennoch müssen auch her eine Vielzahl unterschiedlicher Messungen mit unterschiedlichen Test- und Referenzflächen durchgeführt
werden, um zu einem Ergebnis zu kommen.
[0010] Die US 7,140,119 B2 offenbart ein Verfahren
zum Vermessen von kugelförmigen oder zumindest
nahezu kugelförmigen Oberflächen. Dabei wird mittels eines Abstandsmessgerätes, das beispielsweise
ein Interferometer sein kann, punktuell der Abstand
zu der zu vermessenden Oberfläche bestimmt. Das
Messgerät wird in Kreisen, Spiralen oder ähnlichen
Bewegungen über die Oberfläche geführt. Über die
an den jeweiligen Stellen gemessenen Abstände des
Messgerätes zur vermessenen Oberfläche lässt sich
die Form der zu vermessenden Oberfläche genau
darstellen, so dass insbesondere Abweichungen von
einer Kugeiflächenform genau lokalisiert werden können.
[0011] Die DE 100 09 870 A1 offenbart ein Verfahren
zur Untersuchung von Prüfobjekten, bei dem eine zu
vermessende Oberfläche des Prüfobjektes in unterschiedlichen Einzelaufnahmen abgebildet wird. Dies
kann beispielsweise mittels des Phasendifferenzbild-
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verfahrens geschehen. Als nachteilig wird dargestellt,
dass eine Zuordnung der einzelnen Bilder auf die
Oberfläche des Objektes schwierig ist, da insbesondere oftmals die Orientierung der unterschiedlichen
Bilder relativ zueinander unbekannt ist. Als Lösung
wird vorgeschlagen, dass gleichzeitig Lichtschnitte
auf der Oberfläche des Prüfobjektes erzeugt werden,
über die eine Zuordnung der einzelnen Bilder zueinander möglich ist.
[0012] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Bestimmen eines Höhenprofils einer Oberseite eines Prüfkörpers sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens
vorzuschlagen, mit dem auch größere Prüflinge einfach, kostengünstig und zuverlässig vermessen werden können.
[0013] Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch
ein gattungsgemäßes Verfahren mit den folgenden
Schritten:
a) Bestimmen eines ersten Teilhöhenprofils eines
ersten Teils der Oberseite des Prüfkörpers mittels
eines Interferometers, wobei sich der Prüfkörper
in einer ersten Position befindet,
b) Drehen des Prüfkörpers um einen vorbestimmten Winkel β1 in eine zweite Position,
c) Bestimmen eines ersten Kippwinkels β1, um
den der Prüfkörper beim Drehen in die zweite Position relativ zur ersten Position verkippt wurde,
d) Bestimmen eines zweiten Teilhöhenprofils eines zweiten Teils der Oberseite des Prüfkörpers
mittels des Interferometers, wobei sich der Prüfkörper in der zweiten Position befindet,
e) Bereinigen des zweiten Teilhöhenprofils um die
Verkippung um den ersten Kippwinkel β1,
f) Zusammenfügen des ersten Teilhöhenprofils
und des zweiten Teilhöhenprofils zu einem Höhenprofil des ersten und zweiten Teils der Oberseite des Prüfkörpers.
[0014] Vorzugsweise ist dabei ein Durchmesser eines jeden Teilhöhenprofils kleiner als ein Durchmesser der Oberseite des Prüfkörpers. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird folglich zunächst ein
erstes Teilhöhenprofil mittels eines Interferometers
erstellt. Dabei wird Licht aus einem Interferometer,
das in einem Aufweiter auf ein paralleles Strahlenbündel eines festen Durchmessers aufgeweitet wurde, auf die zu vermessende Oberseite des Prüfkörpers gesendet und von dieser reflektiert. Im Strahlengang befindet sich eine Referenzscheibe, an der ein
Teil des Lichtes reflektiert wird, mit dem das von der
Oberseite des Prüfkörpers reflektierte Licht zur Interferenz gebracht wird. Da ein Höhenprofil der Referenzscheibe bekannt ist, kann aus dem Interferenzmuster auf das Höhenprofil des ersten Teils der Oberseite des Prüfkörpers geschlossen werden.
[0015] Dieses Verfahren ist insbesondere dann anwendbar, wenn der Durchmesser des Interferometers, beziehungsweise dessen Aufweiters, der den
Durchmesser des ersten Teilhöhenprofils bestimmt,
kleiner ist als der Durchmesser der Oberseite des
Prüfkörpers.
[0016] Das so ermittelte Interferenzmuster bzw. das
aus ihm ermittelte Teilhöhenprofil wird beispielsweise
in einer elektronischen Speichereinheit eines Computers gespeichert.
[0017] Anschließend wird der Prüfkörper um einen
vorbestimmten Winkel α1 gedreht, so dass sich nun
ein zweiter Teil der Oberfläche des Prüfkörpers im
Strahlengang des Interferometers befindet. Mit dem
Interferometer wird nun ein zweites Teilprofil dieses
zweiten Teils der Oberseite des Prüfkörpers erstellt.
[0018] Beim Drehen des Prüferkörpers um den Winkel α1 kann es jedoch zu einer Verkippung des Prüfkörpers kommen. Durch diese Verkippung wird der
Abstand zwischen einzelnen Punkten auf der Oberseite des Prüfkörpers und der Oberseite der Referenzscheibe verändert. Dadurch verändern sich auch
das Interferenzbild und daher auch das aus ihm errechnete Höhenprofil. Um dies ausgleichen zu können bzw. den Effekt dieser Verkippung aus dem bestimmten zweiten Teilhöhenprofil herausrechnen zu
können, wird ein erster Kippwinkel β1 bestimmt, um
den der Prüfkörper beim Drehen in die zweite Position relativ zu der ersten Position verkippt wurde.
Dies kann beispielsweise mittels eines Autokollimators geschehen. Dabei wird Licht beispielsweise auf
die der Oberseite gegenüberliegende Unterseite des
Prüfkörpers ausgesandt und entweder direkt von dieser Unterseite oder von einem daran angebrachten
Spiegel reflektiert. Der reflektierte Lichtstrahl trifft an
einer bestimmten Stelle auf ein optisches Detektorelement, beispielsweise eine CCD-Kamera. Wird nun
beim Drehen des des Prüfkörpers der Prüfkörper relativ zur ersten Position verkippt, ändert sich die Position, an der der reflektierte Lichtstrahl auf das optische Detektorelement auftrifft. Über diese Veränderung lässt sich der erste Kippwinkel β1 bestimmen.
[0019] Als besonders vorteilhaft hat sich dabei herausgestellt, wenn der Autokollimator so angeordnet
wird, dass er sein Licht auf die der zu vermessenden
Oberseite gegenüberliegende Unterseite dies Prüfkörpers sendet. In diesem Fall kann der Spiegel, der
für die Reflektion des ausgesandten Autokollimatorlichtstrahls verantwortlich ist, in der Mitte der Unterseite des Prüfkörpers, die beispielsweise kreisförmig sein kann, angeordnet werden. Damit befindet
sich der Spiegel auch nach der Rotation noch immer im Strahlengang des Autokollimatorlichtstrahls.
Eine Verschiebung des Autokollimators und/oder des
Spiegels wird so vermieden, wodurch die Fehleran-
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fälligkeit des Verfahrens sinkt. Zudem ist es in dieser
Ausgestaltung extrem einfach handhabbar.
[0020] Nachdem der erste Kippwinkel β1 bestimmt
ist, kann das bestimmte zweite Teilhöhenprofil um die
Verkippung bereinigt werden. Danach ist es einfach
möglich, die beiden aufgenommenen Teilhöhenprofile zu einem Höhenprofil des ersten und des zweitem
Teils der Oberseite des Prüfkörpers zusammenzufügen.
[0021] Mit diesem Verfahren ist es folglich möglich,
auch mit einem Interferometer, dessen Aufweiter einen Durchmesser hat, der kleiner ist als der Durchmesser der Oberseite des Prüfkörpers, ein Höhenprofil dieser Oberseite zu erstellen. Es ist nicht mehr
nötig, einen größeren Aufweiter, bzw. ein größeres
Interferometer, zu verwenden, so dass eine derart
große Oberseite eines Prüfkörpers nun kostengünstig vermessen werden kann.
[0022] Ist der Durchmesser des Teilhöhenprofils, also der Durchmesser des Aufweiters des Interferometers, genau so groß oder größer als der Durchmesser der zu vermessenden Oberseite des Prüfkörpers,
kann durch das Drehen des Prüfkörpers in verschiedene Stellungen der Effekt mechanischer Verspannungen durch den auf den Auflagepunkten des Prüfkörpers auf diesen wirkenden Druck eliminiert werden. Der Haupteinsatzzweck des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht jedoch darin, mit einem Autokollimator eines bestimmten Durchmessers auch
Oberseiten von Prüfkörpern zu bestimmen, deren
Durchmesser größer ist als dieser bestimmte Interferometerdurchmesser.
[0023] Vorzugsweise ist der Durchmesser eines jeden Teilhöhenprofils mehr als halb so groß wie der
Durchmesser der Oberseite des Prüfkörpers. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass auch die Mitte der
Oberseite des Prüfkörpers Teil des ersten Teils der
Oberseite und des zweiten Teils der Oberseite ist und
somit auch für diesen speziellen Punkt ein Teilhöhenprofil erstellt wird. Zudem wird auf diese Weise ein
ausgefranster Rand des aus den Teilhöhenprofilen
zusammengesetzten Höhenprofils vermieden.
muss natürlich nach jedem Drehen des Prüfkörpers
in die jeweils nächste Position ein neuer Kippwinkel bestimmt werden, um den der Prüfkörper bei diesem Drehen verkippt wurde. Bei dem in dieser neuen
Position aufgenommenen Teilhöhenprofil muss dann
nicht nur die Verkippung um diesen neuen Kippwinkel, sondern wich die Verkippung um alle vorherbestimmten Kippwinkel beachtet werden. Wichtig ist,
dass beim Zusammenfügen der verschiedenen Teilhöhenprofile alle Verkippungen relativ zur ersten Position beachtet und aus den Teilhöhenprofilen herausgerechnet werden.
[0026] Für das erfindungsgemäße Verfahren) ist es
dabei nicht von Bedeutung, ob nach dem Drehen
des Prüfkörpers in die jeweils nächste Position zunächst der jeweilige Kippwinkel bestimmt wird oder
erst das Teilhöhenprofil aufgenommen wird. Um die
Verfahrensdauer zu reduzieren, können die Verfahrensschritte c) und d) auch gleichzeitig durchgeführt
Werden. Ebenso ist es unwichtig, ob das Teilhöhenprofil in der Form gespeichert wird, in der es aus dem
Interferenzmuster des Interferometers bestimmt wird,
oder ob gleich die Verkippung um den Winkel β1 herausgerechnet wird.
[0027] Vorteilhafterweise umfasst das Bestimmen
eines jeweiligen Teilhöhenprofils mehrere Interferenzmessungen mit den Interferometer, über die anschließend gemittelt wird. Damit werden etwaige
Temperaturschwankungen in der Luft im Strahlengang, die zu einer leichten Veränderung des Brechungsindizes der Luft führen können, herausgemittelt. Auch ändere Störeffekte können so eliminiert
werden.
[0028] Vorteilhafterweise ist der Winkel α1, um den
der Prüfkörper in die jeweils nächste Position gedreht wird, für jede Drehung identisch. Alternativ dazu können auch unterschiedliche Drehwinkel verwendet werden, etwa wenn einige Bereiche der Oberseite des Prüfkörpers genauer betrachtet werden sollen
als andere.
[0024] In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung
werden die Verfahrensschritte b), c), d) und e) mindestens einmal wiederholt, wobei für jede Wiederholung ein eigener Kippwinkel bestimmt wird und alle
einzelnen Teilhöhenprofile nach dem Bereinigen im
Verfahrensschritt f) um die jeweilige Verkippung zu
einem Höhenprofil zusammengesetzt werden.
[0029] Der Winkel a1, um den der Prüfkörper in die
jeweils nächste Position gedreht wird, ist dabei vorzugsweise kleiner alS 20° bevorzugt kleiner als 15°,
besonders bevorzugt kleiner als 10°. Je kleiner der
Rotationswinkel α1 ist, desto mehr Teilhöhenprofile müssen aufgenommen werden, um die gesamte
Oberseite des Prüfkörpers abzubilden. Dadurch erhöht sich zwar einerseits die Verfahrensdauer, andererseits jedoch auch die Genauigkeit des aufgenommenen Höhenprofils.
[0025] Auf diese Weise ist es möglich, ein Gesamthöhenprofil der gesamten Oberseite des Prüfkörpers
zu erstellen. In diesem Fall überdecken die ermittelten Teilhöhenprofile die Oberseite des Prüfkörpers,
also die zu vermessende Seite, vollständig. Dabei
[0030] Der Prüfkörper wird vorzugsweise sehend
gelagert. Die zu vermessende Oberseite steht dann
im Wesentlichen senkrecht. Der Prüfkörper wird beispielsweise an seinem Umfang angetrieben, um ihn
zu drehen.
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[0031] In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein jedes Teilhöhenprofil möglichst weit entfernt von Auflagepunkten bestimmt, an
denen der Prüfkörper auf einer Prüfkörperhalterung
aufliegt.
[0032] Herkömmlicherweise wird der Prüfkörper, der
beispielsweise in Form einer kreisförmigen Scheibe
vorliegt, in einer stehenden Position vermessen. Um
ihn einfach um den Winkel α1 in eine neue Position
drehen zu können, kann der Prüfkörper beispielsweise auf zwei Rollen stehend gelagert werden. Dabei
liegt die relativ große Masse des Prüfkörpers auf einer sehr geringen Fläche, so dass der an diesen Stellen auf den Prüfkörper wirkende Druck relativ hoch
ist. Aufgrund der hohen Messgenauigkeit des Verfahrens sind die durch diesen hohen Druck an diesen
Stellen auftretenden Verformungen messbar. Für viele Anwendungen ist jedoch oft das Höhenprofil der
Oberseite des Prüfkörpers im unbelasteten Zustand
von Interesse. Daher wird vorzugsweise ein jedes
Teilhöhenprofil möglichst weit von den Auflagepunkten entfernt aufgenommen, so dass die durch den
an diesen Stellen herrschenden hohen Druck hervorgerufenen Effekte die Messung des Teilhöhenprofils
nicht beeinträchtigen.
[0033] Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum
Durchführen eines derartigen Verfahrens umfasst
ein Interferometer, eine Prüfkörperhalterung und eine Winkelmesseinrichtung, insbesondere einen Autokollimator. Zur Bestimmung des Kippwinkels, um
den der Prüfkörper bei der Drehung verkippt wird, ist
jedoch auch jedes andere Winkelmesssystem möglich. Dabei ist die Prüfkörperhalterung insbesondere
zwischen dem Interferometer und der Winkelmesseinrichtung, insbesondere dem Autokollimator, angeordnet. Auf diese Weise ist es möglich, mit dem Interferometer die Oberseite des Prüfkörpers zu vermessen und gleichzeitig auf der der Oberseite gegenüberliegenden Unterseite des Prüfkörpers einen
Spiegel zur Bestimmung des Kippwinkels mittels des
Autokollimators anzuordnen. Sollte die Unterseite bereits von sich aus des Licht des Autokollimators reflektieren, muss hier selbstverständlich kein zusätzliches Spiegelelement angeordnet werden.
[0034] Um den Prüfkörper einfach um den jeweils
vorbestimmten Winkel α1 in die nächste Position drehen zu können, umfasst die Prüfkörperhalterung zwei
Rollen zur Lagerung des Prüfkörpers. Diese können
insbesondere über Stellmotoren antreibbar sein, wodurch die Drehung des Prüfkörpers um den Winkel α1
genau, einfach und reproduzierbar erfolgt.
[0035] Mit Hilfe einer Zeichnung wird nachfolgend
ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
naher erläutert. Es zeigt:
[0036] Fig. 1 – eine schematische Draufsicht auf eine zu vermessende Oberseite eines gelagerten Prüfkörpers,
[0037] Fig. 2 – eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens,
[0038] Fig. 3 – die schematische Darstellung von
Teilen der Oberseite und der Oberseite eines Prüfkörpers und
[0039] Fig. 4 – die schematische Darstellung eines
Prüfkörpers in einer ersten und einer zweiten Position.
[0040] Fig. 1 zeigt die schematische Draufsicht auf
eine Oberseite 2 eines Prüfkörpers 4. Der Prüfkörper
4 ist auf zwei Auflagern 6 gelagert und liegt mit zwei
Lagerpunkten 8 auf jeweils einem Auflager 8 auf. Die
beiden Auflager 6 bilden zusammen eine Prüfkörperhalterung 71 Durch die sehr geringe Fläche der Lagerpunkte 8 und das relativ große Gewicht des Prüfkörpers 4 wirkt an den Lagerpunkten 8 ein erheblicher Druck auf den Prüfkörper 4. Dadurch kann es
im Bereich der Lagerpunkte 8 zu elastischen Verformungen kommen, die ein Höhenprofil der Oberseite
2 des Prüfkörpers 4 in diesem Bereich gegenüber der
unbelasteten Situation verändern.
[0041] Der Prüfkörper 4 kann auch beispielsweise
auf zwei Rollen gelagert werden.
[0042] Dann kann wenigstens eine dieser Rollen beispielsweise durch einen Stellmotor angetrieben werden, um den Prüfkörper 4 zu drehen. Der Prüfkörper
4 ist dann an seinem Umfang angetrieben. Dadurch
wird eine apparativ sehr einfache Ausführungsform
erreicht.
[0043] Im in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel
ist ein erster Teil 10 der Oberfläche 2 gezeigt, in
dem mittels eines Interferometers 14 ein erstes Teilhöhenprofil ermittelt wird. Dieser erste Teil 10 der
Oberfläche 2 ist dabei so weit von den Lagerpunkten 8 entfernt, dass die in den Lagerpunkten 8 durch
den dort herrschenden Druck hervorgerufenen Verformungen im ersten Teil 10 der Oberfläche nicht zu
spüren sind. Das erste Teilhöhenprofil, das im ersten
Teil 10 der Oberseite 2 bestimmt wird, ist daher frei
von Schwerkrafteinflüssen und daraus resultierenden
Verformungen.
[0044] In Fig. 1 ist mit einer gestrichelten Linie ein
Spiegelelement 12 angedeutet. Dieses befindet sich
auf einer Unterseite des Prüfkörpers und ist daher
in der in Fig. 1 gezeigten Ansicht eigentlich nicht zu
sehen. Auf dieses Spiegelelement 12 wird ein Lichtstrahl eines Autokollimators 18 gesendet und von diesem reflektiert. Dieser reflektierte Lichtstrahl erreicht
ein optisches Detektorelement 24, beispielsweise ei-
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ne CCD-Kamera. Wird der Prüfkörper 4 beim Drehen
verkippt, ändert sich die Position, an der der reflektierte Lichtstrahl vom Spiegelelement 12 auf das optische Detektorelement 24 auftrifft. Darüber kann der
Kippwinkel β1 bestimmt werden.
Linie dargestellt, trifft der reflektierte Lichtstrahl 22 auf
ein optisches Detektorelement 24, das Teil eines ansonsten in Fig. 4 nicht gezeigten Autokollimators 18
ist. Zur besseren Übersichitlichkeit wurde in Fig. 4 nur
der reflektierte Lichtstrahl 22 gezeigt.
[0045] Fig. 2 zeigt eine schematische Anordnung
zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Seitenansicht. In der Mitte ist ein Prüfkörper 4 angeordnet, der an seiner linken Seite eine Oberseite 2 aufweist, deren Höhenprofil bestimmt
werden soll. Der Prüfkörper 4 weist einen Durchmesser D auf. Im in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel
links vom Prüfkörper 4 ist ein Interferometer 14 angeordnet, mit dem die Teilhöhenprofile von Teilen der
Oberseite 2 des Prüfkörpers 4 bestimmt werden können. Das Interferometer 14 weist einen Durchmesser
d auf, der die Größe angibt, die ein Teilhöhenprofil
maximal haben kann, das mit diesem Interferometer
14 aufgenommen wird. Im in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Durchmesser d des Interferometers 14 genau halb so groß wie de Durchmesser D
des Prüfkörpers 4 und damit auch dessen Oberseite
2. Auf einer der Oberseite 2 abgewandten Unterseite
16 des Prüfkörpers 4 befindet sich ein Autokollimator
18. Dieser sendet einen Lichtstrahl auf ein Spiegelelement 12, das an der Unterseite 16 des Prüfkörpers
4 angeordnet ist. Von diesem Spiegelelement 12 wird
der Lichtstrahl reflektiert und trifft auf ein in Fig. 21
nicht gezeigtes optisches Detektorelement. Wird der
Prüfkörper 4 beim Drehen verkippt, ändert sich die
Position des reflektierten Lichtstrahls auf dem optischen Detektorelement 24, so dass der Kippwinkel β1
bestimmt werden kann.
[0047] Beim Drehen des Prüfkörpers 4 um den Winkel α1 kommt es gegebenenfalls zu einer Verkippung
des Prüfkörpers 4 um den Winkel α1. In einer zweiten
Position, in der der Prüfkörper 4 in Fig. 41 durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist, trifft ein reflektierter Lichtstrahl 26 an einer anderen Stelle auf das optische Detektorelement 24. Aus dieser Verschiebung
lässt sich der Kippwinkel β1 bestimmen.
[0046] Fig. 3 zeigt die schematische Ansicht einer
Oberseite 2 eines Prüfkörpers 4. Beim Verfahren zur
Bestimmung eines Höhenprofils der Oberseite 2 wird
zunächst ein erstes Teilhöhenprofil eines ersten Teils
10 der Oberseite 2 aufgenommen. Anschließend wird
der Prüfkörper 4 um einen vorbestimmten Winkel α1,
der im in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel 90°
beträgt, gedreht. Anschließend wird in der neuen Position ein zweites Teilhöhenprofil eines zweiten Teils
20 der Oberseite 2 des Prüfkörpers 4 aufgenommen.
Dabei Kann es zu einer Verkippung des Prüfkörpers
4 kommen, was in Fig. 4 gezeigt ist. Fig. 4 zeigt einen
Prüfkörper 4 mit einer Oberseite 2, zunächst in einer
ersten Position, in der der Prüfkörper 4 in Fig. 4 mit
einer durchgezogenen Linie dargestellt ist. Nach dem
Drehen des Prüfkörpers 4 um den Winkel α1 befindet
sich der Prüfkörper 4 in einer zweiten Position, in der
er in Fig. 4 mit einer gestrichelten Linie dargestellt ist.
In der zweiten Position kann der Prüfkörper 4 relativ
zur ersten Position um einen Kippwinkel β1 verkippt
werden. Dies ist in Fig. 4 zur deutlicheren Sichtbarkeit stark übertrieben dargestellt. Ein Autokollimator
18 sendet einen Lichtstrahl auf eine Unterseite 16 des
Prüfkörpers 4. Befindet sich der Prüfkörper 4 in der
ersten Position, in Fig. 4 durch eine durchgezogene
[0048] Wird nun ein Teilhöhenprofil im zweiten Teil
20 der Oberseite 2 des Prüfkörpers 4 bestimmt, wird
dies durch die Verkippung des Prüfkörpers 4 um den
Kippwinkel β1 verfälscht. Da der Kippwinkel β1 jedoch
durch die Messung über den Autokollimator 18 bekannt ist, kann dieser Effekt aus dem Teilhöhenprofil herausgerechnet werden. Die beiden Teilhöhenprofile vom ersten Teil 10 der Oberseite 2 und vom
zweiten Teil 20 der Oberseite 2 können so einfach
zu einem Höhenprofil zusammengesetzt werden. Anschließend kann der Prüfkörper 4 nochmals um den
Winkel α1 gedreht Werden.
[0049] In Fig. 3 sind noch ein dritter Teil 30 der Oberseite 2 und ein vierter Teil 40 gezeigt, in dem jeweils
ein Teilhöhenprofil bestimmt wird. Durch Drehen des
Prüfkörpers 4 um den Winkel α1 gelangt zunächst der
zweite Teil 20, anschließend der dritte Teil 30 und der
vierte Teil 40 der Oberseite 2 in den Strahlengang
des Interferometers 14, so dass das Teilhöhenprofil
bestimmt werden kann.
[0050] In Fig. 3 ist zu erkennen, dass der Mittelpunkt
M der Oberseite 2 des Prüfkörpers 4 am Rand aller
vier Teile 10, 20, 30, 40 der Oberseite 4 liegt. Zudem
entstehen durch den in Fig. 3 relativ groß gewählten Winkel α1 Teilflächen 28, die in keinem der Teile 10, 20, 30, 4a der Oberseite 2 enthalten sind. Um
die Größen dieser Teilflächen 28 zu verringern, kann
einerseits der Winkel α1 verkleinert werden, so dass
mehr Teilhöhenprofile aufgenommen werden und andererseits kann der Durchmesser d, der dem Durchmesser d des Interferometers 14, bzw. dessen Aufweiters, entspricht, vergrößert werden.
[0051] Dabei hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn der Durchmesser d des Interferometers 14 und damit auch der Teile 10, 20, 30, 40 der
Oberseite 2 des Prüfkörpers 4 mehr als halb so groß
ist wie der Durchmesser D der Oberseite 2 des Prüfkörpers 4. Damit ist nicht nur gewährleistet, dass der
Mittelpunkt M der Oberseite 2 des Prüfkörpers 4 in jedem Teil 10, 20, 30, 40 der Oberseite 2 enthalten sein
kann, und zudem die Größe der Teilflächen 28, für
die kein Teilhöhenprofil erstellt wird, verringert wird,
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sondern auch, dass das Spiegelelement 12 an der
Unterseite 18 des Prüfkörpers 4 ebenfalls mittig angebracht werden kann. Es befindet sich somit nach
jeder Drehung des Prüfkörpers 4 um den Winkel α1
weiterhin im Strahlengang des Autokollimators 18, so
dass dieser nicht bewegt werden muss. Zudem kann
das Spiegelelement 12 sehr klein ausgebildet sein.
henprofils kleiner ist als ein Durchmesser D der Oberseite (2) des Prüfkörpers (4).
Bezugszeichenliste
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Verfahrensschritte b), c), d) und e) mindestens einmal wiederholt werden, wobei für jede Wiederholung ein eigener
Kippwinkel β bestimmt wird und alle Teilhöhenprofile nach dem Bereinigen um die jeweilige Verkippung
im Verfahrensschritt f) zu einem Höhenprofil zusammengesetzt werden.
α1
β1
d
D
M
2
4
6
7
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
40
Winkel
Kippwinkel
Durchmesser
Durchmesser
Mittelpunkt
Oberseite
Prüfkörper
Auflager
Prüfkörperhalterung
Lagerpunkt
erster Teil
Spiegelelement
Interferometer
Unterseite
Autokollimator
Zweiter Teil
reflektierter Lichtstrahl
optisches Detektorelement
reflektierter Lichtstrahl
Teilfläche
dritter Teil
vierter Teil
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser d eines jeden Teilhöhenprofils mehr als halb so groß ist wie der Durchmesser D der Oberseite (2) des Prüfkörpers (4).
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfkörper stehend gelagert und zum Drehen des Prüfkörpers an seinem Umfang angetrieben wird.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel
α1 weniger als 20°, bevorzugt weniger als 15°, besonders bevorzugt weniger als 110° beträgt.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Teilhöhenprofil möglichst weit entfernt von Lagerpunkten
(8) bestimmt wird, an denen der Prüfkörper (4) auf einer Prüfkörperhalterung aufliegt.
Patentansprüche
1. Verfahren zum Bestimmen eines Höhenprofils
einer Oberseite (2) eines Prüfkörpers (4) mit folgenden Schritten:
a) Bestimmen eines ersten Teilhöhenprofils eines
ersten Teils (10) der Oberseite (2) des Prüfkörpers
(4) mittels eines Interferometers (14), wobei sich der
Prüfkörper (4) in einer ersten Position befindet,
b) Drehen des Prüfkörpers (4) um einen vorbestimmten Winkel α1 in eine zweite Position,
c) Bestimmen eines ersten Kippwinkels β1, um den
der Prüfkörper (4) beim Drehen in die zweite Position
relativ zur ersten Position verkippt wurde,
d) Bestimmen eines zweiten Teilhöhenprofils eines
zweiten Teils (20) der Oberseite (2) des Prüfkörpers
(4) mittels des Interferometers (14), wobei sich der
Prüfkörper (4) in der zweiten Position befindet,
e) Bereinigen des zweiten Teilhöhenprofils um die
Verkippung um den ersten Kippwinkel β1,
f) Zusammenfügen des ersten Teilhöhenprofils und
des zweiten Teilhöhenprofils zu einem Höhenprofil
des ersten Teils (10) und des zweiten Teils (20) der
Oberseite (2) des Prüfkörpers (4).
8. Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens
nach einem der vorstehenden Ansprüche mit einem
Interferometer (14), einer Prüfkörperhalterung und einer Winkelmesseinrichtung, insbesondere einem Autokollimator (18).
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfkörperhalterung zwischen
dem Interferometer (14) und der Winkelmesseinrichtung, insbesondere dem Autokollimator (18), angeordnet ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch
gekennzeichnet, dass die Prüfkörperhalterung zwei
Rollen zur Lagerung des Prüfkörpers (4) umfasst.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchmesser d eines jeden Teilhö-
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Es folgen 4 Blatt Zeichnungen
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Anhängende Zeichnungen
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