Motivation
In vielen Industriebereichen werden optische Mikroskope zur Vermessung von Mikro- und Nanostrukturen eingesetzt, da sie eine zerstörungsfreie und schnelle Überprüfung von Fertigungsprozessen ermöglichen. Bei der sogenannten dimensionalen Lichtmikroskopie werden Abstände gemessen, um die Dimensionen des Objekts zu überprüfen. Aufgrund des begrenzten optischen Auflösungsvermögens kann die Objektgeometrie aber nur mit einer Genauigkeit im Mikrometerbereich bestimmt werden. Hierzu werden einfache Schwellwert-Algorithmen zur Lokalisierung von Objektkanten eingesetzt. Durch die fortschreitende Miniaturisierung werden jedoch höhere Genauigkeiten notwendig, die derzeit meist nur mit wesentlich aufwendigeren Verfahren, wie taktilen Messungen oder Rasterelektronenmikroskopen, erreicht werden können. Durch wellenoptische Effekte, wie die Lichtbeugung an Objektkanten oder unvermeidbare Abbildungsfehler des optischen Systems, werden die Objekte immer in einem gewissen Maß verschwommen dargestellt.
Ziele und Vorgehen
Um die Genauigkeit der vorhandenen optischen Messverfahren zu erhöhen und Objektkanten mit einer Genauigkeit von weniger als einem Mikrometer zu lokalisieren, soll im Vorhaben „SiM4diM“ ein neuartiges softwarebasiertes Verfahren entwickelt werden, das wellenoptische Effekte und Abbildungsfehler effektiv kompensiert. Das angestrebte Verfahren basiert auf einer genauen numerischen Simulation des gesamten Abbildungsprozesses. Dazu gehören die Simulation der Frequenz- und Winkelverteilung der Beleuchtung, die Streuung der elektromagnetischen Felder am Messobjekt, die optische Vergrößerung und die digitale Messung des Bildes. Durch eine Simulation des Prozesses mit verschiedenen Probenparametern – z.B. Kantenposition und -höhe oder Brechungsindex des Messobjekts – können jene Parameter ermittelt werden, die am besten zum gemessenen Signal passen. Zunächst muss hierfür das numerische Verfahren zur Simulation der Lichtstreuung an Nanostrukturen weiterentwickelt werden, um eine effiziente Simulation von Kantengeometrien zu ermöglichen. Weiterhin werden Verfahren des maschinellen Lernens untersucht und erweitert, um die Probenparameter mit möglichst wenigen Testsimulationen zu ermitteln.
Innovationen und Perspektiven
Durch das softwarebasierte Verfahren kann die Leistungsfähigkeit optischer Mikroskope zur Koordinatenmessung erheblich verbessert werden. In vielen industriellen Bereichen, wie der Fertigung optoelektronischer Baugruppen oder der Herstellung präziser Schneidewerkzeuge für die zerspanende Fertigung, in denen eine immer höhere Genauigkeit erforderlich ist, kann das Verfahren eingesetzt werden, um schnell und genau Prozessfehler zu erfassen und zu korrigieren.