Wechselwirkung Sonde-Probe und Einfluss auf dimensionelle Messungen bei SFM
Rasterkraftmikroskope erreichen bei Stufenhöhenmessungen auf sehr guten Normalen Unsicherheiten von wenigen Nano- oder sogar Subnanometern; bei Pitchmessungen sogar deutlich weniger. In den Unsicherheitsbudgets wird der Beitrag der Sonde-Probe-Wechselwirkung somit immer wichtiger. Dies bezieht sich auf die Veränderungen der Sonden während des Rasterns sowie der Antastung als auch auf die Wechselwirkung der Sonde mit den verschiedenen Materialien inhomogener Proben. Letzteres kann, ähnlich wie in der optischen Mikroskopie, eine Höhenänderungen vortäuschen, die als Topographie der Probe wahrgenommen wird. Insbesondere bei Messungen an Nanopartikeln können Effekte im Bereich einiger Subnanometer auftreten, die die dimensionelle Messung beeinflussen [L. Chen et al., Ultramicroscopy 107 (2007) 275-280, S. Dejima et al., to be published].
Zur Untersuchung der Wechselwirkung von Sondenspitze mit der Oberfläche ist ein spezielles Rasterkraftmikroskop (Scanning Force Microscope, SFM) aufgebaut worden. Es handelt sich dabei um ein Gemeinschaftsprojekt zwischen dem metrologischen Institut aus Großbritanien, dem NPL, und der PTB. Im Rahmen dieser Kooperation war Dr. A. Yacoot für zwei Jahre in der PTB. Mit dem SFM sollen Effekte zwischen Sonde und Oberfläche, die einen Einfluss auf die Topographiebestimmung haben, untersucht werden. Hierzu wurde ein SFM realisiert, bei dem die Bewegung des Cantilevers mit zwei unabhängigen Detektionssystemen beobachtet werden kann. Zur rückführbaren Messung der vertikalen Bewegung des Cantileverhalters wird ein hoch auflösendes Homodyn-Differentialinterferometer eingesetzt. Das SFM ist ferner kompatibel zu einem Röntgeninterferometer des NPL, dass in einer späteren Ausbaustufe zur Bestimmung der lateralen Positionen zum Einsatz kommen soll. In ersten Untersuchungen wurden u. a. im UHV präparierte Si(111) Oberflächen untersucht, die große, glatte Bereiche aufwiesen (Bild 1). Mit dem SFM konnten in diesen Bereichen einzelne monoatomare Stufen sicher aufgelöst werden. Bild 1 zeigt das entsprechende Interferometersignal als Funktion des Ortes auf der Oberfläche.
Bild 1: Aufgezeichnetes Interferometersignal der z-Bewegung des Cantilevers des SFM als Funktion des Ortes bei Messung an einer Silicium (111) Probe. Das Bild zeigt einen 22 µm x 22 µm großen Ausschnitt mit einzelnen monoatomaren Stufen. Die Stufenhöhe einzelner Stufen beträgt nominell 0,314 nm.
Die gemessene Stufenhöhe beträgt 0,31 nm. Im Vergleich zu den bisherigen Untersuchungen [3], die an Einzelstufen mit Terrassen von etwa 100 nm durchgeführt wurden, erlaubt die vorliegenden Proben auch beidseitige Profilauswertungen der Stufenhöhe über Bereiche von einigen Mikrometern. Das Messunsicherheitsbudget wird noch aufgestellt. Damit wäre die direkte Rückführung atomar hoher Stufen auf die Längeneinheit möglich.
Das Messgerät wurde nach Abschluss der ersten Untersuchungen in das NPL transferiert. Dort sollen die Messungen im Rahmen der Kooperation fortgeführt werden.
© Physikalisch-Technische Bundesanstalt, letzte Änderung: 2010-01-08,
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