Die genaue und rückführbare Kalibrierung der Stufenhöhe und/oder der Ätztiefe von Mikro- und Nanostrukturen stellt eine grundlegende Aufgabe in der Nanometrologie dar. Gegenwärtig ist die Anwendung des metrologischen Rasterkraftmikroskops (Met. AFM) eine der genauesten Methoden für die Stufenhöhenkalibrierung, welche eine typische erweiterte Messunsicherheit von U = 1 bis 2 nm (k = 2), wie sie im internationalen Maßvergleich NANO2 nachgewiesen werden konnte, erreichen kann. Nichtdestotrotz existieren steigende Anforderungen aus bestimmten Bereichen der Industrie an die Reduzierung der Messunsicherheit U unter einen Wert von 0,5 nm (perspektivisch 0,3 nm). Dies gilt beispielsweise für die Bestimmung der absoluten Merkmalshöhe von Strukturen auf Photomasken und von diffraktiven optischen Elementen (DOE) für die Simulation und die damit verbundene Steuerung der (optischen) Funktionen.
Für die weitere Verbesserung der Messgenauigkeit des Met. AFM wurde kürzlich eine umfassende Untersuchung an der PTB durchgeführt. Sie umfasste die folgenden Schlüsselfaktoren:
(i) Fehler durch Nichtlinearitäten höherer Ordnung in den Interferometersignalen,
(ii) Existenz von „Geister“-Interferenzmustern im optischen Detektionssystem des AFM,
(iii) Formabweichungen an den Messspiegeln der Interferometer.
Hierbei wurde ein wesentlicher Fortschritt erreicht, der zu einer Reduzierung der Messunsicherheit bei der Kalibrierung von Stufenhöhen- und Ätztiefennormalen von U > 1,0 nm auf Werte von 0,3 nm geführt hat.
Experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, dass die in das Met. AFM integrierten Interferometer einen Nichtlinearitätsfehler höherer Ordnung aufweisen, der nicht durch die Anwendung einer konventionellen Heydemann-Korrektur kompensiert werden kann. Mit dem Ziel der Überwindung dieses Problems hat die PTB einen neuen Ansatz für die Korrektur dieser Nichtlinearitätsfehler höherer Ordnung entwickelt, der auf der Nutzung von externen Sensoren und Normalen beruht und die Korrektur der Fehler bis zu einem Wert von 40 pm erlaubt. Zusätzlich wurde die Fortpflanzung der (verbleibenden) Nichtlinearitätsfehler für die Stufenhöhenkalibrierung systematisch untersucht.
Um die Leistungssteigerung des modernen Met. AFM nach Integration des Lösungsansatzes aufzuzeigen, sind die Kalibrierergebnisse für ein Messobjekt im Bild 1 dargestellt, das auch die zukünftig von der Industrie geforderten Spezifikationen berücksichtigt. Während der Kalibrierung wurde das Messobjekt an 25 verschiedenen Positionen gemessen. Dabei wurden sechs Messreihen wiederholt, wobei mit drei verschiedenen AFM-Messköpfen (AFM1, AFM3 und AFM4) unter Nutzung von sechs unterschiedlichen AFM-Tastspitzen (davon drei vom Typ PPP-NCLR und drei vom Typ PPP-NCHR, gefertigt von der Firma Nanosensors) gearbeitet wurde. Es ist erkennbar, dass die Ergebnisse eine exzellente Reproduzierbarkeit aufweisen. Die Standardabweichung der mittleren Strukturhöhe ermittelt aus diesen sechs Messreihen beträgt 0,02 nm und deren Wert unterstreicht die Messstabilität und Reproduzierbarkeit des Messgerätes. Die Standardabweichung über alle 150 Messungen (sechs Messreihen mit 25 Messfeldern) beläuft sich auf 0,08 nm und zeigt damit sowohl die Reproduzierbarkeit des Messgerätes als auch die Uniformität des Messobjektes. Die vorläufige Messunsicherheit für diese Kalibrierung wurde mit 0,3 nm abgeschätzt und stellt eine wesentliche Verbesserung im Vergleich zu der bisher erreichbaren Messunsicherheit von 1 bis 2 nm dar.
Bild 1: Illustration des metrologischen Verhaltens des modernen Met. LR-AFM nach Verbesserung der Korrektur der Nichtlinearitäten höherer Ordnung anhand des Kalibrierergebnisses für ein durch die Industrie nachgefragtes Messobjekt