Kristalline Si- und GaN-Mikro- und Nanosäulen als nanomechanische Referenzartefakte

Bei der Entwicklung, Optimierung und Anwendungen verschiedener neuartiger niedrigdimensionaler Materialien, wie z.B. ultradünner Filme und nanostrukturierter Materialien ist eine quantitative nanomechanische Charakterisierung im Nanometerbereich erforderlich. Eine adäquate Messunsicherheit mit typischen nanomechanischen Messtechniken einschl. Nanoindentations- und Nano-Biegetests kann erzielt werden, wenn die eingesetzten Geräte und Methoden metrologisch gut charakterisiert wurden.

Die in den ISO-Normen (beispielsweise ISO 14577-2) beschriebenen Verfahren zur Charakterisierung und Validierung von nanomechanischen Messgeräten sind aufwendig. Hier wird hier eine alternative Herangehensweise für die Messung an Mikro- und Nanosäulen von einkristallinen Halbleitermaterialien vorgeschlagen. Dabei werden Referenzartefakte aus Si und GaN verwendet, die für die Charakterisierung von kontaktbasierten Messsystemen geeignet sind.

Die in einer Kooperation mit dem Laboratory of Emerging Nanometrology (LENA) der Technischen Universität Braunschweig auf der Basis von Si und GaN hergestellten säulenartigen Artefakte werden mittels Mikrosystemtechnik hergestellt. Dabei werden der Durchmesser und die Höhe variiert. An diesen Strukturen gilt es, die nanomechanischen Eigenschaften zu bestimmen und zu spezifizieren. Wichtige Parameter sind dabei die Biegesteifigkeit kb und die axiale Kompressibilität ko.

Darüber hinaus zeichnen sich die einkristallinen Mikro- und Nanosäulen durch die folgenden Eigenschaften aus:

• größenunabhängige mechanische Eigenschaften bei den Materialien Si und GaN auch im Submikrometerbereich mit bekannten Parametern für jede Kristallrichtung [1]
• geometrische Dimensionen können mittels AFM und REM hinreichend genau gemessen werden
• der laterale Säulenabstand ist genügend groß, und insofern auch bei der Charakterisierung mit nahezu flachen Tastspitzen, wie z.B. Berkovich und Vickers Indenterspitzen, einsetzbar
• geringe Kosten durch mögliche Serienfertigung mit Hilfe von Mikrotechnologie.

Derartige gut konstruierte und charakterisierte Säulenartefakte sind bereits für die Kalibrierung der Eindringtiefe und -kraft sowie des Feinpositionierungssystems kommerzieller nanomechanischer Messinstrumente anwendbar.

Weitere Aufgaben, wie Algorithmen zur Abschätzung der Topographie von pyramidenförmigen Eindringkörpern, befinden sich in der Entwicklung. Darüber hinaus ist in Bezug auf die Nutzung der Strukturen zur Energiegewinnung [2] nicht nur die Messung der mechanischen, sondern auch der elektrischen Eigenschaften erforderlich. Hierzu wird geprüft, ob dies mit speziellen AFM-Messmodi möglich ist. 
  


Abb. 1: REM-Bild von einkristallinen Si <100> -Säulen, hergestellt vom Institut für Halbleitertechnik der TU Braunschweig

Tabelle 1: Dimensionen und Spezifikationen von vorgeschlagenen einkristallinen Referenzartefakten für nanodimensionale und nanomechanische Messungen (Biegesteifigkeit k).

Literatur

[1] Z. Li, S. Gao, F. Pohlenz, U. Brand, L. Koenders, und E. Peiner, „Determination of the mechanical properties of nano-pillars using the nanoindentation technique“, Nanotechnol. Precis. Eng., Bd. 3, S. 182–188, 2014.

[2] M. F. Fatahilah, P. Puranto, F. Yu, J. Langfahl-Klabes, A. Felgner, Z. Li, M. Xu, F. Pohlenz, K. Strempel, E. Peiner, U. Brand, A. Waag, and H. Wasisto, „Traceable Nanomechanical Metrology of GaN Micropillar Array“, Adv. Eng. Mater., 2018, 1800353