DE3617714A1

DE3617714A1 - Volumen-messverfahren fuer oberflaechenvertiefungen

Info

Publication number: DE3617714A1
Application number: DE19863617714
Authority: DE
Inventors: Reiner Kalstroem; Erich O Prof Dr Schulz-Dubois
Original assignee: Dr Ing Rudolf Hell GmbH
Current assignee: Dr Ing Rudolf Hell GmbH
Priority date: 1986-05-27
Filing date: 1986-05-27
Publication date: 1987-12-03
Also published as: US4944593A; EP0270578A1; JPS63501099A; WO1987007369A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Volumen-Meßverfahren für Oberflächenvertiefungen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei der Messung an Oberflächen bzw. Oberflächenvertiefungen muß zwischen Rauhigkeit (Größenordnung: <=5 µm), Welligkeit (10-100 µm) und Form (<=10 µm) unterschieden werden.

Die Dissertation von G. Thurn, automatisierte Oberflächenprüfung durch rechnergestütztes Messen der Streulichtverteilung, TU Berlin, 1984, gibt einen Überblick über die gebräuchlichen, mechanischen und optischen Verfahren zu deren Bestimmung.

Die mechanische Abtastung mit einem Diamanttaster erfaßt Rauhig keit, Welligkeit und Form entsprechend den Filtercharakteristika der verwendeten Meßanordnung, ist jedoch relativ langsam (Tast geschwindigkeit <=0,5 mm pro Sekunde) und hinterläßt Spuren auf der Oberfläche.

Die optischen Methoden, die z. B. von Brodnann, "Surface Roughness Measurement of Turned and Ground Surfaces with a Light Scattering Instrument", third International Conference on Metrology and Properties of Engineering Surfaces, Middlesborough, 10.-12. April 1985 oder Baker, L.R.: "Comparator Technique to Measure Micro Height Variations", Third Conference on Metrology and Properties of Engineering Surfaces, Middlesborough, 10.-12. April 1985 oder Vorburger, T.V.: "Optical Measurement of Surface Roughness", Third Conference on Metrology and Properties of Engineering Surfaces, Middlesborough, 10.-12. April 1985, beschrieben sind, haben die Vorteile einer berührungslosen und schnellen Abtastung, sind jedoch aufgrund der verwendeten kurzen Lichtwellenlänge nur für Rauhigkeits messungen geeignet. Man erhält ein Höhenprofil bzw. statistische Parameter, wie Höhen- bzw. Flächenwinkelverteilungen, wozu auf Thomas T.R.: "Characteristic of Surface Roughness, Precision Engineering", S. 97 ff., IPC Business Press 1981, verwiesen wird.

Ein in der Praxis häufig auftretender Fall der Volumenmessung von Oberflächenvertiefungen tritt bei der Herstellung von Druckformen für den Rakel-Tiefdruck auf. Die Oberfläche dieser Druckform, meist ein gravierter oder geätzter Druckzylinder, weist eine Vielzahl von entsprechend dem späteren Druckraster verteilten Näpfchen (Vertiefungen) auf, die durch Stege von einander getrennt sind. Das Tiefdruckverfahren mit dieser Druck form läuft so ab, daß die Näpfchen mit Farbe gefüllt werden, mittels eines Rakels, das von den Stegen getragen wird, die überschüssige Farbe entfernt und der Bedruckstoff mit der Ober fläche des Druckzylinders in Kontakt gebracht wird, wobei die Druckfarbe aus den Näpfchen auf den Bedruckstoff übertragen wird.

Für den Tonwert des jeweils gedruckten Punktes ist das über tragende Farbvolumen maßgebend, weshalb es bei der Herstellung der Druckform auf die Volumina der einzelnen Näpfchen ankommt. Bei der Gravur dieser Näpfchen mittels eines Diamantstichels wurde das Näpfchenvolumen bisher durch Messung der Näpfchen diagonalen auf der Kupferoberfläche bestimmt, wobei aus der Form des Diamantstichels und der Geometrie des Druckrasters mittels Näherungsformeln das Volumen bestimmt wurde. Hierzu wird nach einem bekannten Meßverfahren ein Mikroskop verwendet, das auf die Oberfläche der Druckform gesetzt wird. Diese Messung, bei der für mehrere verschiedene Grautöne jeweils mehrere Näpfchen ver messen werden, nimmt wertvolle Zeit in Anspruch, die z.B. in der Größenordnung einer halben Stunde liegt. Der mit diesem Zeit aufwand verbundene Produktionsausfall legt es nahe, nach einem Meßprinzip zu suchen, mit dem dynamische Messungen möglich sind. Diese Forderung wird noch dadurch verstärkt, daß bei einem neueren Elektronenstrahl Gravurverfahren die Form der gravierten Näpfchen nicht durch die Geometrie eines Stichels gegeben ist, wie dies z. B. bei der Gravur der Näpfchen mittels des Diamant stichels der Fall ist. Zur Bestimmung des gravierten Volumens ist daher eine direkte Messung wünschenswert.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Volumen meßverfahren für Oberflächenvertiefungen anzugeben, das eine direkte Volumenmessung ermöglicht. Insbesondere soll es auf eine einfache Weise ermöglicht werden, auch das Volumen der Farb übertragenden Näpfchen von Tiefdruckformen zu erfassen.

Die Erfindung erreicht dies durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 12 angegeben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Fig. 1 bis 6 näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Meßaufbau zum Funktionsnachweis des Meßverfahrens,

Fig. 2 eine Küvette für die Messung nach Fig. 1,

Fig. 3a ein Diagramm für die Fluoreszenz in Abhängigkeit von der Schichtdicke,

Fig. 3b ein Diagramm für die Transmission in Abhängigkeit von der Schichtdicke,

Fig. 4 eine Meßanordnung zum direkten Messen von Oberflächen vertiefungen,

Fig. 5a ein Beispiel einer zu messenden Oberfläche mit U-förmigen Rillen,

Fig. 5b ein Beispiel einer Oberfläche mit V-förmigen Rillen,

Fig. 6a eine Darstellung der Fluoreszenz-Meßwerte an den Ober flächenvertiefungen der Fig. 5a und

Fig. 6b eine Darstellung der Fluoreszenz-Meßwerte am Beispiel der Fig. 5b.

Die Fig. 1 zeigt eine Meßanordnung mit der prinzipiell die Schichtdicke eines fluoreszierenden Farbstoffs bestimmt werden kann, wobei sich bei Kenntnis des Strahldurchmessers das Volumen des durchstrahlen Stoffs ergibt.

In Fig. 1 ist ein Laser 1 vorgesehen, dessen Licht über eine Bragg-Zelle und eine Blende 3 auf eine mit einer fluoreszierenden Farbe gefüllte Küvette 4 gelangt. Als Laser kann vorzugsweise ein luftgekühlter 20 mW-Argon-Ionen-Laser (488 nm) verwendet werden, dessen Strahl durch die Bragg-Zelle 3 moduliert wird. Die Blende 3 ist vorgesehen, damit die erste Beugungsordnung ausgeblendet wird. Die Küvette 4 ist keilförmig und enthält die Farbstoffprobe. Der modulierte Laserstrahl fällt auf die Küvette und hat am Ort der Probe einen Durchmesser von etwa D=2 mm. Das Fluoreszenz- Licht, das von der Farbprobe abgestrahlt wird, wird unter einen Winkel gegen den einfallenden Strahl in Vorwärtsrichtung über eine Linse 6, ein Kantenfilter 7 und eine weitere Linse 8 auf einen Fotowandler 9 abgebildet. Der Laser wird mittels der Bragg-Zelle 2 moduliert, damit an Fotowandler, im vorliegenden Fall einer Fotodiode, ein Wechselstromsignal entsteht und damit Gleichlichtanteile, die nicht mitgemessen werden sollen, auf diesem Wege unterdrückt werden. Die Bragg-Zelle arbeitet mit 70 MHz und wird ihrerseits durch einen Rechteckgenerator 10, dem ein Modulator 11 nachgeschaltet ist, moduliert.

Das Signal der Fotozelle 9 gelangt über einen Verstärker 12, einer Lock-In-Stufe 13 (z. B. IC vom Typ AD 630 von Analog Devices) an ein Voltmeter 14, welches das Meßergebnis anzeigt.

Das Fluoreszenz-Licht wird gegen den einfallenden Strahl in Vorwärtsrichtung auf die Fotodiode 9 abgebildet. In dem Strahl gäng befindet sich ein Kantenfilter, um eventuell vorhandene Laser-Lichtanteile herauszufiltern.

Zur Kontrolle der Laser-Leistung während der Messung wird hinter der Blende 3 mittels eines Strahlteilers 15 ein Teilstrahl ausge blendet, der über einen Umlenkspiegel 16 ein Polfilter 17 und eine Linse 18 auf einen weiteren Fotowandler 19 gegeben wird. Das Signal des Fotowandlers 19 wird ebenso wie das Signal des Fotowandlers 9 über einen Verstärker 20 und eine Lock-In-Stufe 21 an das Volt meter 14 gegeben. Zur Messung der Transmission durch die Küvette 4 wird der durch sie hindurchtretende Strahl mittels eines Umlenk spiegels 22 auf ein Interferenzfilter 23 gegeben, dem ein Pol filter 24 und eine Linse 25 nachgeschaltet sind, wobei das durch Polfilter und Linse hindurchtretende Licht auf einen weiteren Fotowandler 26 gelangt. Das Ausgangssignal des Fotowandlers 26 wird ebenfalls über einen Verstärker 27 und eine weitere Lock- In-Schaltung 28 an das Voltmeter 14 gegeben.

Anstelle der Polfilter, die lediglich zum Abschwächen des Strahls eingesetzt werden, können durch Graukeile oder Neutralglasfilter eingesetzt werden.

Um die gemessenen Spannungen den entsprechenden absoluten Intensi täten zuordnen zu können, ist eine Kalibrierung des Meßsystems notwendig. Dazu wird außerdem ein Leistungsmesser benutzt, mit dessen Hilfe die direkte Laser-Ausgangsleistung, die Leistung hinter der Bragg-Zelle, die Leistung hinter der Blende, die Leistung vor der Probe und die Leistung vor der Fotodiode 9 gemessen werden. Die Kalibrierung der Fotodiode 9 geschieht in zwei Schritten. Dabei wird mit einer fluoreszierenden Probe in der Küvette 4 gemessen, deren Stabilität bekannt ist. Zunächst wird mit der Fotodiode 9 die Fluoreszenz in Abhängigkeit von der einfallenden Laser-Lichtleistung gemessen. Dann wird die Foto diode 9 durch den Leistungsmesser ersetzt. Man erhält so eine Zuordnung der Fluoreszenz-Intensität zu der Fotodioden-Spannung. In gleicher Weise können auch die übrigen Fotodioden 19 und 26 geeicht werden.

Fig. 2 zeigt die Küvette 4 in einer Seitenansicht und in einer Draufsicht. Sie besteht aus mehreren Glasplatten, wobei der keilförmige Teil aus den Platten 41 und 42 gebildet wird und eine weitere Platte 44 zur Erhöhung der Stabilität vorgesehen ist. Diese Platten werden zusammengehalten durch Seitenplatten 45 und 46. In dem Raum zwischen den Platten 41 und 42 befindet sich die Probe und in dem Raum zwischen den Platten 42 und 43 befindet sich das Lösungsmittel. Die Küvette kann, wie bereits erwähnt, mittels nicht dargestellter Mikrometer-Schrauben senkrecht zum Laserstrahl verschoben werden, um unterschiedliche Volumina bzw. Schichtdicken auszumessen. Die Schichtdicke d wird durch Ein führung eines Kupferstücks bekannter Dicke in die keilförmige Schicht und durch Justierung im Laserstrahl, aus der Küvetten geometrie und der mit der Mikrometer-Schraube eingestellten relativen Höhe der Küvette innerhalb der Meßanordnung bestimmt.

Das Lösungsmittel ist vorgesehen, damit gleiche Brechungsindizes an den Grenzflächen vorhanden sind und somit ein gerader Strahl verlauf in der keilförmigen Schicht und auch nach dem Verlassen der Küvette gewährleistet ist. Aus dem Strahldurchmesser D in der Probe und der Schichtdicke d, die sich aus der gemessenen Fluoreszenz-Intensität ergibt, kann das beleuchtete Volumen V bestimmt werden.

Die Fig. 3a zeigt ein Diagramm, bei dem die Fluoreszenz U ₄/U ₆ in Abhängigheit von der Schichtdicke des Farbstoffs aufgenommen wurde. Hierzu wurde die keilförmige Küvette relativ zum Meßstrahl in der Höhe verschoben. Die Laserleistung betrug 5 mW, was einer Spannung von 1290 mW an der Referenzdiode 19 (PD 3) entspricht. Da es sich um eine keilförmige Küvette handelt, ist aus der relativen Höhe der Küvette die Schichtdicke bekannt, so daß durch diese Messung die Zuordnung von Fluoreszenz-Intensität und Schicht dicke eindeutig bestimmt ist. Die Abhängigkeit der Fluoreszenz-Intensität von Schichtdicke, Konzentration und auffallender Laserlichtintensität ergibt sich aus folgender Formel: I _f (d, c, I _L ) = k × I _L × (1 - exp (-0,01 × c × d))

mit

k = konstant entsprechend der Kalibrierung von U₄, I _L = auf die Probe fallende Laser-Intensität, c = Konzentration in g/ltr und d = Schichtdicke in µm,

wobei der Wert 0,01 je nach Meßanordnung unterschiedlich sein kann.

Wie hieraus zu ersehen ist, entspricht die Meßkurve dem Verlauf der Formel, und es ist zu ersehen, daß die Fluoreszenz-Intensität abhängt von der Anzahl der zur Fluoreszenz-Verfügung stehenden Farbstoffmoleküle, wodurch dieser Zusammenhang zwischen Fluores zenz-Intensität und Schichtdicke zur Dickenmessung und damit auch zur Volumenmessung gemäß der Erfindung herangezogen werden kann.

Die Fig. 3b zeigt im Vergleich zur Fig. 3a die Transmission des durch die Probe durchgelassenen Laserlichtes, d. h. die Spannung U ₅/U ₆, wobei erkennbar ist, daß mit zunehmender Fluoreszenz die Transmission abnimmt.

Um brauchbare Meßwerte zu erhalten, sind folgende Eigenschaften des verwendeten Farbstoffs bzw. des Lösungsmittels, in dem der Farbstoff während der Messung gelöst ist, erforderlich.

Der Farbstoff soll eine Lösbarkeit in einem die zu messende Oberfläche gut benetzenden transparenten Lösungsmittel aufweisen.

Eine hohe Quanten-Ausbeute der Fluoreszenz des Farbstoffs, die eine große Signalstärke und damit verminderte Fehler durch Rauschen mit sich bringt, ist ebenfalls erwünscht.

Außerdem soll Stabilität des Farbstoffs gegen Belichtung und Lösungsmittel bei möglichst großer Konzentration (fotochemische und chemische Stabilität) gegeben sein. Weiterhin soll das Lösungs mittel homogen (keine Emulsion/Suspension) sein und eine geringe Flüchtigkeit bei Raumtemperatur aufweisen, damit die Konzentration während der Messung erhalten bleibt.

Diesen Anforderungen entsprechen beispielsweise folgende Stoffe:

Beispiel 1

Pyridin 1 in Äthylenglycol, c= 0,75 g/ltr
oder
Pyridin 1 in Propylencarbonat, c= 0,5 g/ltr

Beispiel 2

Rhodamin 6 G in Methanol oder Propylencarbonat, c= 0,6 g/ltr
oder
Rhodamin 6 G in Äthylenglycol oder Propylencarbonat, c= 0,5 g/ltr.

Beispiel 3

Rhodamin 6 G in Methanol/Äthylenglycol-Gemisch (1:10-20), c= 0,5 g/ltr.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die im Vorangegangenen angegebenen Konzentrationen und Mischungsverhältnisse, sondern die Messung ist auch mit anderen Konzentrationen und anderen Farbstoffen bzw. Lösungsmitteln, welche die vorgenannten Eigen schaften aufweisen, möglich. Die Messung ist auch durch den jeweiligen Farbstoff bedingt, in anderen Wellenlängenbereichen möglich.

Fig. 4 zeigt eine praktische Meßanordnung zum direkten Messen von Oberflächenvertiefungen. Es wurden U- bzw. V-förmige Rillen, welche in eine Kupferoberfläche eingraviert worden sind, ausgemessen, wie sie in den Figuren Fig. 5a und 5b dargestellt sind. Der Meßaufbau entspricht im Prinzip dem Meßaufbau der Fig. 1, ohne Transmissionskanal. Die Baugruppen der Fig. 4 die mit den Baugruppen in Fig. 1 übereinstimmen, wurden mit denselben Bezugszahlen beschrieben.

Der Laserstrahl wird, nachdem er den Referenzstrahl über den Strahlteiler 15, der ein Objektivträgerglas sein kann, verlassen hat, über einen Spiegel 50 und einen Strahlteiler 51 auf die Probe 52 gerichtet. Die Probe mag z. B. eine in den Fig. 5a oder 5b dargestellte Oberfläche mit entsprechenden Vertiefungen sein. Ein Teil des Fluoreszenzlichtes wird über den Strahlteiler 51 ausgespiegelt und gelangt wie in Fig. 1 auf die Fotodiode 9. Zur Ausfilterung von Restlaserlicht sind ein Kantenfilter 7 und ein Interferenzfilter 53 im Strahlengang zwischen Strahlteiler 51 und Fotodiode 9 vorgesehen (λ=488 nm).

Es ergeben sich die in den Fig. 6a für U-förmiges Profil und in der Fig. 6b für V-förmiges Profil dargestellten Meßwerte für die Fluoreszenz U ₄/U ₆. Gemessen wurde mit Rhodamin 6G, da dieser Farbstoff ist besonders fluoreszenzeffektiv und stabil. Die Nummern i=1-8 der Fig. 5a sind den entsprechenden Tiefen F _i der Fig. 5a zugeordnet. Gemessen wurde mit einer Laser leistung von 5 mW, wobei bei entsprechend anderen Laserleistungen die Messung ebenfalls möglich ist.

Es wurde bei den Meßwerten der Fig. 6a und 6b mehrfach gemessen, und man erkennt, daß in Fig. 6a bei den Meßwerten 1 bis 5 derselbe Meßwert wieder getroffen wurde. Lediglich bei den Meßwerten 6 und 7 sind geringe Abweichungen zu verzeichnen.

Dasselbe gilt in Fig. 6b für die Meßwerte 1 bis 3 bzw. 4 und 5. Die Meßwerte der Fig. 6b beziehen sich auf fünf V-förmige Vertie fungen, von denen in Fig. 5b aber nur zwei dargestellt worden sind.

Die Erfindung wurde im Vorangehenden anhand des Fluoreszenz-Effektes als Beispiel für die Ausnutzung des wellenlängenverschobenen Streu lichtes bestimmter Stoffe zur Volumen- bzw. Schichtdickenmessung beschrieben. Für die Volumenmessung kann aber ebensogut anstelle des Fluoreszenz-Effektes der sogenannte "Raman-Effekt" ausgenutzt werden, indem das zu messende Volumen mit einem Stoff ausgefüllt wird, an dem dieser Raman-Effekt auftritt. Bestrahlt man z. B. Benzol mit Quecksilber-Bogenlicht, so treten im Streulicht neben der Spektrallinie des eingestrahlten UV-Lichts eine oder mehrere, in der Wellenlänge verschobene weitere Spektrallinien auf, deren Intensitäten ebenfalls von der Schichtdicke des Stoffes abhängen. Der Raman-Effekt ist beispielsweise in dtv-Lexikon der Physik, Band 7, P-RE, Deutscher Taschenbuchverlag, München, Februar 1971, ISBN 3-423-03047-X, Seiten 227 bis 229, beschrieben.

Claims

1. Volumenmeßverfahren für Oberflächenvertiefungen, dadurch gekennzeichnet, daß die zu messende Vertiefung bzw. Vertiefungen mit einem Stoff aufgefüllt werden, der bei Bestrahlung wellenlängen verschobenes Streulicht abgibt,
daß der Stoff mittels einer Lichtquelle, deren Wellenlänge im Bereich des Absorbtionsspektrums des Stoffes liegt, beleuchtet wird und
daß die Intensität des wellenlängenverschobenen Streulichtes, das von dem angeregten Stoff ausgesandt wird, mittels eines Fotodetektors gemessen wird, wobei die gemessene Intensität ein Maß für das Volumen der Oberflächenvertiefung ist.

2. Volumenmeßverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Stoff Farbstoffe verwendet werden, deren frequenz verschobenes Streulicht durch Fluoreszenz entsteht.

3. Volumenmeßverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Stoffe verwendet werden, deren frequenzverschobenes Streu licht aufgrund des Raman-Effektes entsteht.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Pyridin als Farbstoff verwendet wird, das in Äthylenglycol mit einer Konzentration von c<0,75 g/ltr gelöst ist.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Pyridin als Farbstoff verwendet wird, das in Propylencarbonat mit einer Konzentration von c0,5 g/ltr gelöst ist.

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Rhodamin 6G als Farbstoff verwendet wird, der in Propylenacarbonat mit einer Konzentration von c0,6 g/ltr gelöst ist.

7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Farbstoff Rhodamin 6G verwendet wird, der in Äthylenglycol oder Propylencarbonat mit einer Konzentration von c0,5 g/ltr gelöst ist.

8. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Farbstoff Rhodamin 6G verwendet wird, der in einem Methanol- Äthylenglycol-Gemisch (1:10-20) mit einer Konzentration von c0,5 g/ltr gelöst ist.

9. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Benzol als Füllstoff für die Vertiefungen verwendet wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn zeichnet, daß die Beleuchtung der Vertiefung mittels der Lichtquelle flächig über die gesamte Vertiefung erfolgt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn zeichnet, daß die Beleuchtung der Vertiefung mittels einer relativen SCAN-Bewegung eines Lichtstrahls, dessen Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser der Vertiefung, erfolgt, wobei beim Abscannen der Vertiefung die Oberfläche des Farbstoffes lückenlos abgetastet wird und die Summe der gemessenen Fluores zenz-Intensitäten ein Maß für das Volumen der Vertiefung ist.

12. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
eine auf die Oberflächenvertiefung gerichtete Lichtquelle, deren Wellenlänge im Absorbtionsspektrum des verwendeten Stoffes liegt,
eine erste Detektoreinrichtung zur Erfassung der Intensität der in der Frequenz verschobenen Streustrahlung des durch die Lichtquelle angeregten Stoffes,
eine zweite Detektoreinrichtung zur Erfassung eines Teils der Intensität des auf den Stoff auftretenden Lichts der Licht quelle, das mittels eines ersten Strahlteilers, der zwischen Lichtquelle und dem bestrahlten Stoff angeordnet ist, ausge spiegelt wird,
durch einen zweiten Strahlteiler zum Ausspiegeln der von dem bestrahlten Stoff ausgesandten, in der Frequenz verschobenen Streustrahlung, der zwischen dem ersten Strahlteiler und dem bestrahlten Stoff im Strahlengang angeordnet ist,
durch ein Filter zum Ausfiltern von Restlaserlicht, das zwischen dem zweiten Detektor und dem zweiten Strahlteiler angeordnet ist und
durch eine Verstärker- und Meßeinrichtung, die zum Messen der von den beiden Detektoren erfaßten Intensitäten an die beiden Detektoren angeschlossen ist.