Glatt, glatter, atomar glatt – Technologie für die Herstellung neuartiger Stufenhöhennormale

Im Rahmen des europäischen EMRP Verbundprojektes CRYSTAL werden in der PTB neuartige Normale für die Höhen- und Längenkalibrierung auf Nanometerskala entwickelt. Dabei werden Strukturen genutzt, die bereits von der Natur vorgegeben und damit als konstant anzusehen sind. Die kleinste denkbare Stufe auf der Oberfläche einer kristallinen Probe entspricht dem Atomabstand zwischen direkt benachbarten Gitterebenen und stellt eine monoatomare Stufe dar. Bereiche ohne irgendeine Stufe wären dann die denkbar glattesten Oberflächen, die man sich vorstellen kann.

Auf Basis von Silizium Einkristallen werden an der PTB auf (111)- Siliziumwafern gezielt Bereiche von 100 µm² und mehr präpariert, die zwei unterschiedliche Topographiemerkmale aufweisen. Sie zeigen entweder periodisch auftretende atomare Stufen, wie bei einem Amphitheater, oder sie sind über einen großen Bereich komplett frei von Stufen.

Die etablierten Messmethoden, um derartig hergestellte Oberflächen zu charakterisieren, sind die Rastertunnelmikroskopie (engl. Scanning Tunnelling Microscope (STM)) und die Rasterkraftmikroskopie (engl. Atomic Force Microscope (AFM)). Beide Verfahren liefern Informationen zur Topographie, also der Ausdehnung von lateralen und vertikalen Strukturen, mit Messunsicherheiten kleiner 1 nm. Im Falle des STMs sogar mit atomarer Auflösung. Um die hergestellten Oberflächenstrukturen schnell beurteilen zu können, sind diese Verfahren, aufgrund des erheblichen zeitlichen Aufwandes von einigen Stunden allein bei der Messung, nicht so gut geeignet. Es wurde daher ein optisches, konfokales Lasermikroskop genutzt und ein Verfahren entwickelt, um bereits nach wenigen Minuten eine qualitative Aussage zur Oberflächentopographie treffen zu können.

Abb. 1 zeigt eine solche Mikroskopaufnahme. Die dargestellte Fläche von 600 x 600 µm² enthält mehrere Flächenelemente, innerhalb derer sich die gewünschte Topographie ausbildet. Es sind sowohl monoatomare Stufen zu erkennen, als auch komplett stufenfreie Flächen. Die gezeigte Aufnahme erlaubt jedoch lediglich eine qualitative Aussage zur Topographie. Um Oberflächenmerkmale, wie Stufenhöhe und Flächenrauheit, messen zu können, müssen die bereits erwähnten AFM oder STM Verfahren angewendet werden. Innerhalb des Verbundprojektes CRYSTAL geschieht dies an den nationalen Metrologieinstituten der europäischen Projektpartner.

Für die Herstellung eines Normals auf Basis von Si (111) zur Messung der Stufenhöhe muss eine sogenannte metrologische Rückführung erfolgen. Dies erfordert den Einsatz entsprechend ausgestatteter AFMs oder STMs. An der PTB wird dafür aktuell ein in allen drei Koordinaten metrologisch rückgeführtes STM im Ultrahochvakuum aufgebaut. Mit ersten Messergebnissen ist in 2016 zu rechnen.

Abb. 1: Kreisförmige Strukturen (ähnlich Amphitheatern) mit monoatomaren Stufen auf Si (111). Innerhalb der vorstrukturierten Bereiche auf dem Siliziumwafer sind konzentrische Ringe zu erkennen. Das Zentrum einer jeden Ringstruktur ist die am tiefsten liegende Fläche. Ausgehend vom Zentrum erhöht sich die Ringfläche an jeder vorhandenen Stufe, erkennbar an den dünnen Kreislinien, um genau eine atomare Siliziumebene. Die Ringflächen zwischen den Stufen sind jeweils atomar glatt.