VDI VDE 2655 Blatt 1 2-2010 Optical measurement of microtopography - Calibration of confocal microscopes and depth setting standards for roughness measurement.pdf

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1、VEREINDEUTSCHERINGENIEUREVERBAND DERELEKTROTECHNIKELEKTRONIKINFORMATIONSTECHNIKOptische Messtechnik an MikrotopografienKalibrieren von konfokalen Mikroskopen undTiefeneinstellnormalen fr die RauheitsmessungOptical measurement of microtopographyCalibration of confocal microscopes and depthsetting sta

2、ndards for roughness measurementVDI/VDE 2655Blatt 1.2 / Part 1.2Ausg. deutsch/englischIssue German/EnglishVDI/VDE-Handbuch FertigungsmesstechnikVDI/VDE-Handbuch Mikro- und FeinwerktechnikVDI/VDE-Handbuch Optische TechnologienVDI-Handbuch Produktionstechnik und Fertigungsverfahren, Band 3: Betriebsmi

3、ttelVDI/VDE-RICHTLINIENICS 17.180.01, 37.020 Oktober 2010 October 2010Vervielfltigung auchfr innerbetrieblicheZwecke nichtgestattet / Reproduction evenfor internal use not permittedDie deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich. The German version of this guideline shall be taken as authorit

4、a-tive. No guarantee can be given with respect to the English trans-lation.Frhere Ausgabe: 09.09 Entwurf, deutsch Former edition: 09/09Draft, in German onlyZubeziehen durch /Available at BeuthVerlag GmbH,10772 Berlin AlleRechtevorbehalten /All rights reserved Verein Deutscher Ingenieuree.V.,Dsseldor

5、f 2010VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik (GMA)Fachbereich FertigungsmesstechnikInhalt SeiteVorbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Anwendungsbereich . . . . . . . . . . . . . . 32 Begriffe . . . . . . . . . . .

6、 . . . . . . . . . . 53 Formelzeichen und Indizes . . . . . . . . . . 64 Eigenschaften der Konfokalmikroskope . . . 74.1 Bestandteile der Gerte und Funktionsprinzip . . . . . . . . . . . . . . 74.2 Prinzipien konfokaler Strahlengnge . . . . 94.3 Z-Scansystem . . . . . . . . . . . . . . . . 124.4 Met

7、hoden der Topografieberechnung . . . . 125 Kalibrierung und Spezifizierung . . . . . . . . 165.1 bersicht ber Prfkrper und Messverfahren. . . . . . . . . . . . . . . . 165.2 Kalibrierung der horizontalen Achsen . . . 185.3 Kalibrierung der vertikalen Achse . . . . . 185.4 Kalibrierung der Ebenheit d

8、urch Festlegung einer Referenzebene . . . . . . 205.5 Bestimmung des Gerterauschens . . . . . 215.6 Bestimmung der maximalen Winkelakzeptanz . . . . . . . . . . . . . . 215.7 Bestimmung der kurzen Grenzwellenlnge . . . . . . . . . . . . . . 225.8 Wiederholprzision der vertikalen Achse. . 235.9 Nicht

9、 bercksichtigte Eigenschaften . . . . 24Contents PagePreliminary note . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Scope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Terms and definitions . . . . . . . . . . . . . 53 Symbols and subscripts . . . . .

10、. . . . . . . 64 Properties of confocal microscopes . . . . . 74.1 Instrument components and functional principle . . . . . . . . . . . . . 74.2 Principles of confocal beam paths . . . . . 94.3 Z-scan system. . . . . . . . . . . . . . . . 124.4 Methods for topography evaluation . . . . 125 Calibrati

11、on and specification . . . . . . . . . 165.1 Overview of calibration standards and methods of measurement . . . . . . . . . . 165.2 Calibration of the horizontal axes . . . . . 185.3 Calibration of the vertical axis . . . . . . . 185.4 Calibration of flatness by definition of a reference plane . . .

12、 . . . . . . . . . . 205.5 Determination of the instrument noise . . . 215.6 Determination of the maximum angular acceptance . . . . . . . . . . . . . 215.7 Determination of the short cut-off wavelength . . . . . . . . . . . . . . . . . 225.8 Repeatability of the vertical axis . . . . . . 235.9 Prop

13、erties not accounted for . . . . . . . . 24B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2010 2 VDI/VDE 2655 Blatt 1.2 / Part 1.2Seite6 Ergebnisbericht der Gertekalibrierung . . . . . . . . . . . . . . . 246.1

14、Allgemeine Informationen . . . . . . . . . 246.2 Rckfhrung horizontaler Achsen . . . . . 246.3 Rckfhrung der vertikalen Achse . . . . . 256.4 Bestimmung von Gerteeigenschaften . . . 257 Messunsicherheit . . . . . . . . . . . . . . . 257.1 Struktur des Modells . . . . . . . . . . . . 267.2 Aufstellun

15、g des Modells . . . . . . . . . . 287.3 Unsicherheit der Berechnung der Topografiepunkte . . . . . . . . . . . . . . 307.4 Unsicherheit der Rillentiefe D . . . . . . . 33Schrifttum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36VorbemerkungDer Inhalt dieser Richtlinie ist entstanden unter Be-achtung de

16、r Vorgaben und Empfehlungen der Richt-linie VDI 1000.Alle Rechte, insbesondere das des Nachdrucks, der Fotokopie, der elektronischen Verwendung und der bersetzung, jeweils auszugsweise oder vollstndig, sind vorbehalten.Die Nutzung dieser VDI-Richtlinie ist unter Wahrung des Urheberrechts und unter B

17、eachtung der Lizenz-bedingungen (www.vdi-richtlinien.de), die in den VDI-Merkblttern geregelt sind, mglich.Allen, die ehrenamtlich an der Erarbeitung dieser VDI-Richtlinie mitgewirkt haben, sei gedankt.EinleitungDie Richtlinienreihe VDI/VDE 2655 wird fr eine systematische Behandlung anwendungsbezoge

18、n ge-gliedert. Die nachfolgende Auflistung gibt einen berblick ber die einzelnen Bltter der Richtlinien-reihe.Blatt 1.1 Kalibrieren von Interferenzmikroskopen und TiefeneinstellnormalenBlatt 1.2 Kalibrieren von konfokalen Mikroskopen und TiefeneinstellnormalenBlatt 1.3 Kalibrieren von Interferenzmik

19、roskopen fr die KonturmessungBlatt 1.4 Kalibrieren von konfokalen Mikroskopen fr die KonturmessungBlatt 2.1 Verfahren der Rauheitsmessung mit InterferenzmikroskopenPage6 Report of results of the instrument calibration . . . . . . . . . . . . . 246.1 General information . . . . . . . . . . . . 246.2

20、Traceability of lateral axes . . . . . . . . . 246.3 Traceability of the vertical axis . . . . . . 256.4 Determination of instrument properties . . 257 Measurement uncertainty . . . . . . . . . . . 257.1 Structure of the model . . . . . . . . . . . 267.2 Setting-up of the model . . . . . . . . . . 2

21、87.3 Uncertainty in the calculation of the topography points . . . . . . . . . . . . . 307.4 Uncertainty of the groove depth D . . . . . 33Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36Preliminary noteThe content of this guideline has been developed in strict accordance with the requirement

22、s and recom-mendations of the guideline VDI 1000.All rights are reserved, including those of reprinting, reproduction (photocopying, micro copying), storage in data processing systems and translation, either of the full text or of extracts.The use of this guideline without infringement of copy-right

23、 is permitted subject to the licensing conditions specified in the VDI notices (www.vdi-richtlinien.de). We wish to express our gratitude to all honorary con-tributors to this guideline.IntroductionThe VDI/VDE 2655 series of guidelines is structured in relation to the application to provide for syst

24、ematic handling. The listing below gives an overview of its individual parts. Part 1.1 Calibration of interference microscopes and depth setting standardsPart 1.2 Calibration of confocal microscopes and depth setting standardsPart 1.3 Calibration of interference microscopes for contour measurementPa

25、rt 1.4 Calibration of confocal microscopes for contour measurementPart 2.1 Methods of roughness measurement using interference microscopesB55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2010 VDI/VDE 2655 Blatt 1.2 /

26、Part 1.2 3 Blatt 2.2 Verfahren der Rauheitsmessung mit konfokalen MikroskopenEine Liste der aktuell verfgbaren Bltter dieser Richtlinienreihe ist im Internet abrufbar unter www.vdi.de/2655.1 AnwendungsbereichDie vorliegende Richtlinie gilt fr Konfokalmikros-kope zur Messung der Topografie technische

27、r Ober-flchen. Die beschriebenen Prozeduren fr die Kalib-rierung sind vergleichbar zu den Methoden, die sich bereits bei den Richtlinien (DKD-R 4-2, EAL G-20) fr die Rckfhrung von Tastschnittgerten (sieheBild 1) bewhrt haben. Entsprechend sind, so weit es mglich ist, auch die dort erprobten Normale

28、(Planglas, optisches Gitter, Tiefeneinstellnormal, Raunormal) bernommen.Part 2.2 Methods of roughness measurement using confocal microscopesA list of the parts of this series of guidelines which have already been published are available on the In-ternet under www.vdi.de/2655.1 ScopeThe present guide

29、line applies to confocal micro-scopes for measuring the topography of technical sur-faces. The procedures described for the calibration can be compared with the methods which have al-ready proved their worth and have therefore been in-corporated in the guidelines (DKD-R 4-2, EAL G-20) on the traceab

30、ility of stylus instruments , see Fig-ure 1. Accordingly, also the standards tested there (optical flats, gratings, depth setting standard, rough-ness standard) are adopted to the extent possible.Bild 1. Rckfhrungskette fr Tastschnittgerte und KonfokalmikroskopeTiefeneinstellnormale vom Typ A werden

31、 auf dem Referenzmessgert kalibriert und geben danach die Lngeneinheit an die nachgeord-neten Tastschnittgerte und Konfokalmikroskope weiter. Die Weitergabe der Lngeneinheit entspricht dem Verlauf der durchgezogenen Linien.Normale mit unregelmigem Profil (Typ D), Planglser und Normale mit tastspitze

32、nunabhngigem Profil (Typ C) werden mit dem so rckgefhrten Referenz-Tastschnittgert kalibriert und geben danach die Werte von Rauheitskenngren an die nachgeordneten Tast-schnittgerte und Konfokalmikroskope weiter. Die Weitergabe der Rauheitskenngren entspricht dem Verlauf der gestrichelten Linien.B55

33、EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2010 4 VDI/VDE 2655 Blatt 1.2 / Part 1.2Diese Richtlinie beschrnkt sich auf die Grundkalib-rierung der bildgebenden Konfokalmikroskope. Unter Konfokalmikroskopen verst

34、eht man solche Messgerte, deren Grundprinzip auf der Abbildung einer Punktlichtquelle auf die zu vermessende Probe im Beleuchtungszweig und der Abbildung des zu-rckkehrenden Lichts auf einen korrespondierenden punktfrmigen Intensittssensor im Detektionszweig beruht. Hierbei liegt der Fokus auf der M

35、essung von dreidimensionalen Oberflchentopografien. Die Richtlinie behandelt die erforderliche Rckfhrung auf die Lngeneinheit ber die Messung an rckge-fhrten Tiefeneinstellnormalen. Dies entspricht dem rechten vertikalen Pfad in Bild 1. Aus diesen Mess-prozessen ergibt sich die Herleitung fr die Mes

36、sun-sicherheitsberechnung der Gertekalibrierung und die der Messung an Tiefeneinstellnormalen.Diese Richtlinie bezieht sich auf die Vermessung von unbeschichteten Proben. Der Einfluss von Probenbe-schichtungen sowie die Messung von Schichtdicken This guideline is limited to the basic calibration of

37、imaging confocal microscopes. By confocal micro-scopes measuring instruments are understood whose underlying principle relies on the imaging of a point source onto the sample to be calibrated in the illumi-nation branch and the imaging of the light, returning onto a corresponding point-type intensit

38、y sensor in the detection branch. The focus here lies on the meas-urement of three-dimensional surface topographies. The guideline deals with the required traceability to the unit of length via the measurement on depth set-ting standards that have been traced back. This is il-lustrated by the right-

39、hand vertical path in Figure 1. These measurement processes furnish the derivation for the evaluation of the measurement uncertainty in instrument calibration and that of the measurement on depth setting standards.This guideline relates to the measurement of un-coated samples. The influence of sampl

40、e coatings as well as the measurement of layer thicknesses of trans-Figure 1. Traceability chain for stylus instruments and confocal microscopesDepth setting standards of type A are calibrated against the reference instrument and then pass on the unit of length to the secondary stylus instruments an

41、d confocal microscopes. This direction of dissemination of the unit of length is shown by the solid lines.Standards of irregular profile (type D), glass flats and standards whose profile is independent of the stylus tip (type C) are calibrated against the reference stylus instrument thus traced back

42、 and then pass on the values of the roughness parameters to the secondary sty-lus instruments and confocal microscopes. This dissemination of the roughness parameters is illustrated by the dashed lines.B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04All rights reserved Verein Deu

43、tscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2010 VDI/VDE 2655 Blatt 1.2 / Part 1.2 5 transparenter Materialien werden in dieser Richtlinie nicht behandelt. Ebenso wird vorausgesetzt, dass die zur Kalibrierung verwendeten Proben keinen Materi-alkontrast aufweisen.Dabei ist zu beachten, dass das verwendete Obje

44、ktiv innerhalb seiner Spezifikation betrieben wird. Ver-fahren zur Messung mit Fluoreszenz und Stitching-verfahren zur Vergrerung des Messfelds sind auf-grund der komplexen Fehlereinflussmglichkeiten hierbei nicht bercksichtigt.Die entsprechenden Prozeduren fr Rauheitskenn-gren (linker Pfad in Bild

45、1) werden in einem ande-ren Blatt dieser Richtlinienreihe beschrieben.Mit der Anwendung dieser Richtlinie werden fol-gende Ziele verfolgt: bessere Vergleichbarkeit von Oberflchenmessun-gen mit verschiedenen Mikroskopen sowie zwi-schen Mikroskopen und Tastschnittgerten mit den Normen und Normalen fr

46、Tastschnittgerte Festlegung von Bedingungen fr die Rckfhrung auf die Lngeneinheit entsprechend Bild 1 Feststellung der Kalibrierfhigkeit und Festlegung des Gltigkeitsbereichs einer Kalibrierung Festlegung von Mindestanforderungen an den Kalibriervorgang und an Abnahmebedingungen Bereitstellung eines

47、 GUM-konformen Modells zur Messunsicherheitsberechnung des Messvor-gangs mit einem Konfokalmikroskop Festlegung der Anforderungen an einen Ergebnis-bericht2 BegriffeDa es im Bereich der Konfokalmikroskopie noch kein so fest gefgtes Normenwerk wie im Bereich der Tastschnittgerte gibt, werden hier Def

48、initionen und Begriffe im Sinn der Normen aus diesem Bereich be-nutzt, insbesondere sind dies: DIN EN ISO 3274 hinsichtlich Definitionen fr Gertebestandteile DIN EN ISO 5436-1 hinsichtlich Kalibriernorma-len DIN EN ISO 4287 hinsichtlich der Definition der Oberflchen(profil)kenngren DIN EN ISO 4288 h

49、insichtlich der Mess- und Auswertebedingungen DIN EN ISO 11 562 hinsichtlich des Filterverhal-tens DKD-R 4-2 und EAL G-20 sind Richtlinien fr die Kalibrierung von Tastschnittgerten.parent materials are not dealt with in this guideline. Similarly, it is assumed that the samples used for cal-ibration do not show material contrasts. It is to be ensured that the objective used is operated in conformity with its specifications