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Schichtdicke und kristalline Normale

Arbeitsgruppe 5.13

 

 

Mikrometer-Schichtdickennormale

Folien-Dickennormale

Folien gleichmäßiger und definierter Dicke können als Schichtdickennormale dienen, wenn sie auf entsprechende Substratoberflächen aufgelegt werden. Sie werden häufig zur Kalibrierung der weit verbreiteten elektromagnetischen Schichtdickenmessgeräte verwendet.
Übliche Ausführungen:

  • 10...500 µm aus Kunststoff
  • 10...30 µm aus Bronze
  • > 500 µm aus Pertinax, Messing

Auf den Normalen ist der Referenzflächenbereich gekennzeichnet.

Beschichtete Substrate

Bei einigen wichtigen Schichtdickenmessverfahren (z.B. Röntgenfluoreszenz-Methode) beinhalten die angezeigten Messwerte materialabhängige Parameter. Zur Kalibrierung dieser Geräte verwendet man Normale, die aus genau denselben Materialien bestehen müssen, wie die bestehende Messaufgabe. Deshalb und wegen der Vielzahl möglicher Materialkombinationen ist es zweckmäßig, dass interessierte Anwender sich mit ihrer Technologie selbst geeignete Proben herstellen, die dann in der PTB kalibriert werden.

Bild 1: Beispiel eines Satzes von Schichtdicken-Normalen mit galvanischer Nickelschicht auf diamantgedrehter Kupfersubstratoberfläche

 

 


Nanometer-Schichtdickennormale

Im Nanometerbereich werden zwei unterschiedliche Typen von Schichtdickennormalen angeboten. Der erste Typ ist für die Röntgentechniken wie die Röntgenreflektometrie (X-ray reflectometry (XRR)) und die Röntgenfluoreszenz (X-ray fluorescence (XRF)) ausgelegt und der zweite Typ zur Kalibrierung von Ellipsometern.

 

Typ 1: Nanometer-Schichtdickennormale für Röntgentechniken
(Derzeit nicht verfügbar. Modifizierte Neuauflage ist in Arbeit.)

Für die Röntgenreflektometrie werden dünne Metallfilme auf Quarzglassubstraten angeboten. Zur Kalibrierung von Röntgenreflektometern und des zur Auswertung der Messung eingesetzten Modells wird die Dicke der Metallschicht unter streifendem Einfall (grazing incidence XRR (GIXRR)) gemessen.
Die Schichtdickennormale bestehen jeweils aus einem Quarzglassubstrat mit den Maßen: 40 × 20 × 10 mm (L×B×H). Als Maßverkörperung dienen Metallschichten mit nominellen Dicken von 10 nm und 50 nm. Als Metallschichten werden Pt und Ni verwendet, wobei die Ni-Schicht eine jeweils etwa 3 nm dicke Kohlenstoffunterlage und Kohlenstoffdeckschicht aufweist. Durch diese Schutzschichten wird die Diffusion des Nickels in das Substrat sowie die Korrosion des Nickels an der Oberfläche verhindert.
Ein typischer Satz von Schichtdickennormalen für die Röntgenreflektometrie besteht aus vier Proben mit:

Nominelle Schichtdicke /nm Schicht aus
10 Pt
50 Pt
10 (3//10//3) Ni (C//Ni//C)
50 (3//50//3) Ni (C//Ni//C)

Die erweiterte Messunsicherheit des Dickenwertes der Metallschicht liegt im Fall einer nominellen Schichtdicke von 10 nm bei 0,2 nm und für die 50 nm Schichtdicke bei etwa 0,5 nm für U(k=2).

Bild 1: Schichtdickennormale für die Röntgenreflektometrie

Typ 2: Nanometer-Schichtdickennormale für die Ellipsometrie

Die Schichtdickennormale für die Ellipsometrie bestehen aus einer thermischen SiO2-Schicht auf einem Si-Substrat mit Si(100) Oberflächenorientierung. Das Substrat hat eine Größe von 30 × 20 mm und ist ca. 0,5 mm hoch. Auf dem Substrat befindet sich in einer Ecke eine lithographische Mikrostruktur an der Stufenhöhenmessungen mit einem Rasterkraftmikroskop (Scanning Force Microscope (SFM)) oder einem hoch auflösenden Tastschnittgerät vorgenommen werden können. Der Hauptbereich des jeweiligen Normales ist für die ellipsometrische Schichtdickenbestimmung ausgelegt. Die Mikrostruktur für SFM-Untersuchungen und deren Lage auf dem Chip ist in der folgenden Skizze gezeigt. Es werden SiO2-Schichtdicken mit Nominaldicken von 6, 70, 160, 400 und 1000 nm angeboten, 5 nm und 100 nm werden in Kürze verfügbar sein. Die Unsicherheit des realen SiO2-Schichtdickenwerts ist dickenabhängig. Im Fall einer nominell 6 nm dicken Schicht, liegt die erweiterte Messunsicherheit bei 0,6 nm, für eine nominell 1000 nm dicke Schicht beträgt sie etwa 5 nm.

Bild 2: Schichtdickennormal für die Ellipsometrie mit vergrößerter Darstellung der Mikrostruktur zur Stufenhöhenmessung mittels Rasterkraftmikroskop

 

 

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