Design and Entwicklung eines neuen 3D-Abtastkopfes für Rasterkraftmikroskope

In der Nanometrologie werden die Messaufgaben bezüglich der Formbestimmung einer strukturierten Oberfläche immer komplexer. Für die Anwendung der Rasterkraftmikroskopie (AFM) verschieben sich die Messaufgaben von relativ ebenen Probenoberflächen zunehmend zu komplex strukturierten Proben mit geringer Strukturbreite und steilen Seitenwänden. AFMs, die für diese Aufgabe konzipiert sind, werden Critical Dimension (CD)- oder Three-dimensional (3D)-AFMs genannt und können in zwei orthogonalen Richtungen (x und z) Oberflächen mit einem speziellen CD-Cantilever antasten.

Dies ist ausreichend für einfache Gitterstrukturen. Für Schrägen oder runde Strukturen, deren Oberflächennormale nicht in der xz-Ebene steht, kommt es zu einem Übersprechen von der nicht eindeutig detektierbaren y-Richtung auf die z-Richtung. Dieses Übersprechen kann zu unbekannten Abweichungen der gemessenen Kontur bezüglich der realen Geometrie und unter Umständen sogar zum Spitzenbruch führen.

Eine neue Sonde, die 3D-Nanoprobe, macht Verschiebungen der Spitze in allen drei Raumrichtungen (x,y,z) messbar. Festkörpergelenke teilen die 3D-Nanoprobe in steife und flexible Bereiche ein.

Ein semi-analytisches Modell wurde benutzt, um das mechanische Verhalten bezüglich Lage der Eigenmoden, isotrope Steifigkeit und Sensitivität der 3D-Nanoprobe zu optimieren. Um das Übersprechen zu reduzieren, wurde der vordere Bereich (siehe Abb1. oben HS2) der 3D-Nanoprobe designseitig so optimiert, dass dieser kaum eine Winkeländerung für eine Kraft oder Verschiebung in z-Richtung zeigt; das Prinzip ist in Abb.1 dargestellt. Basierend auf einem modellierten CD-Cantilever (Typ CDR 70 – Fa. team-nanotec) wurde das Verhältnis der Steifigkeit (Isotropie) von 8:8:1 (x:y:z) zu 0.9:0.9:1 (x:y:z) angeglichen und die Sensitivität somit um den Faktor 106, 128 und 1.6 respektive der x-, y- und z-Richtung erhöht und die Eigenfrequenzen herabgesetzt. Die 3D-Nanoprobe kann mit einem doppelten Lichtzeiger (Abb.1 unten, Spot 1 und 2) oder mit einer Kombination aus Lichtzeiger und Interferometer ausgelesen werden.



Abbildung 1: Funktionsprinzip der 3D-Nanoprobe für einen doppelten Lichtzeiger. Die Winkel α in der yz –Ebene und β in der xy-Ebene sind die Biege- und Torsionswinkel der 3D-Nanoprobe für das Ausleseprinzip mit doppeltem Lichtzeiger (Spot 1 und Spot 2).