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Fertigungskette von Si-Kugeln und interferometrische Bestimmung des Kugelvolumens

Rastersondenmetrologie

Arbeitsgruppe 5.25

Rastersondenmikroskopische Metrologiesysteme

Neben anderen Entwicklungsarbeiten auf dem Gebiet der SPM-Metrologie sind in den zurückliegenden Jahren zwei kommerzielle SFMs um miniaturisierte Homodyn-Laserinterferometer erweitert worden. Das Positioniersystem eines dritten Geräts, welches in der PTB zu einem SFM ausgebaut wurde, ist bereits herstellerseitig mit Laserinterferometern ausgestattet. Die Entwicklungen dieser Laserinterferometer wurden in Zusammenarbeit mit der Technischen Universität in Ilmenau sowie der Fa. SIOS Messtechnik GmbH durchgeführt. Bei allen Geräten wurde bereits während der Konstruktion der Interferometererweiterung bzw. des Gerätdesigns ein besonderes Augenmerk darauf gelegt, dass Prinzipien wie die Minimierung von Abbe-Fehlern bzw. von Verkippungen erfüllt sind. Die genannten SFMs dienen in der PTB zur Kalibrierung von Maßverkörperungen sowie zur allgemeinen Charakterisierung von Mikrostrukturen und werden im Weiteren als metrologische SFMs bezeichnet. 


Beispiele:

Rasterkraftmikroskope vom Typ Veritekt

Auf der Basis des kommerziellen SFM Veritekt-3 der Fa. Carl Zeiss Jena entstanden seit 1995 zwei metrologische SFMs mit integrierten Laserinterferometern. Diese Geräte gestatten die Charakterisierung von Messobjekten im "contact"-SFM-Modus mit einem Messbereich von 70 µm x 15 µm x 15 µm (x, y, z). Der Vorteil dieser SFMs gegenüber anderen Instrumenten liegt in der Verwendung eines präzisen Festkörpergelenks als Basis für das Positioniersystem und die Nutzung positionsgeregelter Piezoaktuatoren (mit integrierten kapazitiven Sensoren) für jede Bewegungsachse. Durch eine geschickte Geometrie der Gelenke können Faktoren wie das Übersprechen der Achsen sowie die Nichtorthogonalität der Bewegungsrichtungen minimiert werden.

Bild 1: Prinzipschema des metrologischen Rasterkraftmikroskops Veritekt mit den intergrierten Laserinterferometern Das im Jahre 1996 fertiggestellte und in den Folgejahren bzgl. der Minimierung des Abbe-Fehlers optimierte Veritekt B wird in der PTB für Kalibrierungen eingesetzt. Die Ergebnisse aus internationalen und internen Maßvergleichen haben die Eignung des SFM für Kalibrieraufgaben erfolgreich aufgezeigt. Auf der Basis der am Veritekt B gesammelten Erfahrungen entstand bis 2002 ein weiteres metrologisches SFM - das Veritekt C (siehe Bild 2). Wesentliche Baugruppen des kommerziellen Basisgerätes wurden übernommen und durch eine moderne Mess- und Auswerteelektronik ergänzt. Die Anordnung der Laserinterferometer für die x- und y-Achsen wurde dahingehend überarbeitet, dass zukünftig auch Messköpfe anderer Hersteller bzw. mit alternativen Messprinzipien an das Veritekt C adaptiert werden können.

Bild 2: Ansicht des SFM Veritekt C Im Unterschied zur Messstrategie beim Veritekt B, bei der die Laserinterferometer zur Kalibrierung der kapazitiven Sensoren an diskreten Messpunkten (λ/2-Nullstellen der Interferometersignale) und zur Berechnung von Korrekturwerten eingesetzt werden, erfolgt beim Veritekt C eine direkte Einbindung der Interferometermesswerte in den Regelkreis des SFM. Für die Nutzung der Interferometer als Messsysteme wurde die Datenerfassungselektronik komplett verändert und die Signalverarbeitung basierend auf einem schnellen Signalprozessor realisiert. Die Integration dieser Datenerfassungselektronik in das Veritekt C gestattet die Erhöhung der Auflösung der Interferometerwerte auf 0,04 nm und den Betrieb der Interferometer bei einer Datenrate von 20 kHz. Da bei Messunsicherheiten im Bereich weniger Nanometer die Nichtlinearität der Interferometersignale, die in unkorrigierter Form ca. 3 nm beträgt, einen begrenzenden Faktor darstellt, wurden im Rahmen der Modifikation der Messelektronik diverse Korrekturverfahren für die Nichtlinearität untersucht. Letztendlich ist ein Verfahren in den Regelkreis der Interferometer integriert worden, das sich an das durch Heydemann entwickelte Prinzip anlehnt. Dieses Verfahren korrigiert die Abweichungen der elektrischen Signale der Interferometer u1d und u2d in Amplitude, Offset und Phase durch ein Ellipsen-Fitverfahren:

Normalerweise wird dieser Algorithmus aufgrund seines Rechenaufwandes nicht als Online-Methode implementiert. Die am Veritekt C durchgeführten Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass die zu berechnenden Ellipsenparameter p, q, r und α über einen ausreichend langen Zeitraum als konstant angenommen werden können und somit während der Korrektur nicht permanent bestimmt werden müssen. Damit ist dieses Verfahren in den Messkreis der Interferometer integrierbar, ohne hierdurch die Datenrate zu begrenzen. Die verbleibenden Nichtlinearitäten der Interferometersignale konnten durch die beschriebene Korrektur auf 0,3 nm reduziert werden.
Nach der erfolgreichen Erhöhung der Interferometer-Datenrate wurde das Messprinzip des SFM derart überarbeitet, dass eine schnellere Datenerfassung aller Signale möglich wird. Darauf aufbauend wurde ein neuer Messmodus für das linienweise Scannen der Probe entwickelt. Durch eine zentrale Triggerung aller im SFM eingesetzten Mess- und Steuerglieder ist es dann möglich, das Messobjekt mit konstanter Geschwindigkeit abzurastern und dabei die Messdaten sowohl vom Positioniersystem als auch vom SFM-Sensor, der als Nullindikator fungiert, zeitgleich zu erfassen. Damit wird ein Abbremsen der Bewegung während der Erfassung der Messpunktdaten unnötig und mit diesem "Scan-on-the-fly"-Messprinzip kann die Messgeschwindigkeit in x-Richtung ("fast scan axis") in Abhängigkeit von der zu untersuchenden Topographie auf bis zu 25 µm/s gesteigert werden. Als Ergebnis der schnelleren Datenerfassung kann der Einfluss von thermischen Driften bzw. anderen Umgebungsfaktoren reduziert werden.
Die Modernisierung der Datenerfassungssoftware, ein automatisiertes Probenpositioniersystem und Maßnahmen zur Realisierung automatischer Messabläufe (Batch-Prozesse) haben weiterhin zu einer Verbesserung der Gerätebedienung geführt. Durch die Verwendung der Laserinterferometer als Wegmesssensoren erübrigt sich die bisher notwendige Kalibrierung der kapazitiven Messsysteme, was zu einer Reduktion der gesamten Messzeit führt.

Rasterkraftmikroskop mit erweitertem Messbereich

Für eine zunehmende Zahl praktischer Anwendungen der Rastersondenmikroskopie - auch innerhalb der Metrologie - ist der Messbereich von Piezoscantischen (x, y < 100 bis 200 µm) zu klein. Hierzu gehören beispielsweise die normgerechte Bestimmung der Rauheit sowie Untersuchungen an Lateralnormalen, für deren Auswertung Messungen im Millimeterbereich notwendig sind. Aus den genannten Gründen sind verschiedene Konzepte zur Erweiterung des Messbereiches von SFMs entwickelt worden, die darauf zielen, den Verschiebebereich von Piezoaktuatoren zu vergrößern oder alternative Positioniersysteme einzusetzen. Die PTB entschied sich, ein Positioniersystem auf der Basis der sogenannten Nanomessmaschine (NMM) entwickeln und fertigen zu lassen, das den spezifischen metrologischen Anforderungen aus der Fertigungsmesstechnik genügt. Dieses Gerät wurde mit einem vom Veritekt-SFM bekannten Messkopf auf der Basis eines Fokussensors kombiniert. Somit steht ein Messgerät zur Verfügung, das einen Positionierbereich von 25 mm x 25 mm x 5 mm mit den Detektionsprinzipien der Rasterkraftmikroskopie verbindet - das sogenannte metrologische "Large Range Scanning Probe Microscope (LR-SPM)". Sein Funktionsprinzip ist in Bild 1 dargestellt.



Bild 1: Prinzipskizze des metrologischen SFM mit erweitertem Messbereich (Ein Teil der Komponenten wie Antriebe und Führungen sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.)

Die Bewegung des Objekttisches erfolgt über drei seriell angeordnete, lineare Antriebssysteme, die jeweils durch Laserinterferometer geregelt werden. Zwei Winkelmesssysteme sind in die Regelung einbezogen und sorgen für eine konstante horizontale Ausrichtung des Objekttisches. Ähnlich wie bei den Veritekt-SFMs wird das Referenzsystem durch Planspiegel gebildet, wobei beim LR-SPM die Spiegel zu einer Würfelecke zusammengefasst sind. Die Auflösung der Messsysteme beträgt 0,08 nm bzw. 0,001". Die Konstruktion des Geräts zielt darauf ab, dass Mess- und Referenzebene übereinstimmen, um Abbe-Fehler zu minimieren.
Mit dem Ziel der Erhöhung der Dynamik des Positioniersystems wurde auf dem Probentisch der NMM ein kompakter Miniaturhubtisch angeordnet, der über drei symmetrisch ausgerichtete Piezoaktuatoren eine schnelle Höhenverschiebung bis zu 2 µm ermöglicht (mechanische Resonanzfrequenz fr > 20 kHz). Die Bewegung dieses Tisches wird über einen in der Mitte angeordneten kapazitiven Sensor gemessen und positionsgeregelt. Während der Abtastung des Messobjekts erfolgt die Lateralbewegung ausschließlich mit der NMM, im Gegensatz dazu resultiert die Höhenverstellung aus einer kombinierten Bewegung von z-Piezohubtisch und NMM. Die Steuerung des gesamten Geräts geschieht über zwei Signalprozessorsysteme. Eines ist für die NMM verantwortlich und das andere realisiert die Höhenregelung und Messdatenerfassung. Auf dem Foto (Bild 2) ist das metrologische LR-SPM dargestellt.




Bild 2: Ansicht des metrologischen SFM mit erweitertem Messbereich

Nach Fertigstellung einer Messsoftware für das komplette Gerät wurden umfangreiche Untersuchungen zu den messtechnischen Eigenschaften des LR-SPM durchgeführt. Beispielhaft sind hier erste Ergebnisse der Messungen an einem Ebenheitsnormal sowie an einem Sinusgitter angeführt. Das topographische Bild des Ebenheitsnormals (Bild 3) kann zur Einschätzung der Qualität der Bewegung (Antriebe, Führungen) sowie zur Bewertung des Rauschverhaltens des Gerätes genutzt werden.


Bild 3: Untersuchungen zu Führungseigenschaften sowie zum Rauschverhalten des LR-SPM: Topographiebild eines Ebenheitsnormals

Aus dem Bild ist ersichtlich, dass die gemessene Struktur sehr eben ist und dass Artefakte, wie sie beispielsweise durch die Führungen hervorgerufen werden können, nicht erkennbar sind. Das noch vorhandene Geräterauschen (3 nm p-v) ist überwiegend durch äußere Einflüsse wie Gebäudeschwingungen und akustische Anregungen bedingt und sollte durch optimierte Aufstellungsbedingungen weiter reduzierbar sein.
Die Eignung des LR-SPM für Messungen an Lateralnormalen und die Bestimmung der Strukturperiode wird am Beispiel eines Sinusgitters illustriert.

Bild 4: Bestimmung der Gitterkonstanten an einem Sinusgitter mit ca. 3000 Perioden (Messbereich in x-Richtung: 1,35 mm)

Bild 4 zeigt das Scanbild eines eindimensionalen Gitters, das in x-Richtung mit einem Messbereich von 1,35 mm (das entspricht dem 20-fachen Scanbereich der Veritekt-SFMs!) abgetastet wurde. Da die Berechnung der Strukturperiode auf statistischen Verfahren beruht, führt eine größere Anzahl von erfassten Strukturen - unter der Voraussetzung einer homogenen Probenstruktur - zu einer Verbesserung der Messunsicherheit des Messverfahrens. Wiederholte Messungen an diesem Sinusgitter ergaben jeweils einen identischen Periodenwert von 416,67 nm. Dieses Ergebnis stimmt auf zwei Nachkommastellen mit dem Referenzwert aus diffraktometrischen, optischen Messungen überein.

Weitere Messungen an Nanostrukturen und Stufenhöhen haben die hohe Ortsauflösung des Messgerätes sowie die Übereinstimmung der Messergebnisse mit Referenzwerten aus internationalen Maßvergleichen verifiziert.
Die begonnenen Untersuchungen zur Optimierung des LR-SPM sowie zu seiner Erweiterung um alternative Detektionsprinzipien werden kontinuierlich fortgeführt und sollen die Eignung des Messsystems auch für die Messung von Strukturen, die eine Topographie bis in den Millimeterbereich aufweisen, unter Beweis stellen. Messaufgaben wie die Kalibrierung der Spitzengeometrie an Eindringkörpern für die Härtemessung, die Untersuchung von Strukturen auf Photomasken aus der Halbleiterindustrie, die Bestimmung von dimensionellen Größen an Bauteilen aus der Mikrosystemtechnik u.a. werden bereits heute von der Industrie nachgefragt und stellen potentielle Anwendungsgebiete für das metrologische LR-SPM dar.