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Production sequence of Si-spheres and interferometrical determination of the sphere volume

Scanning Probe Metrology

Working Group 5.25

Calibration services and Measurement standards in the scanning probe microscopy

 

part performance in PTB's cleanroom centre:

  • Development of standards for scanning probe microscopy
  • Calibration of scanning probe microscopes as soon as whose standards

  • Self calibration and error analysis for scanning probe microscopes

Development of standards for scanning probe microscopy

Development and investigation of procedures for the preparation of nanostructures for the establishment of standards based on crystallographic structures and their investigation. Development of standards for high-resolution microscopy and their calibration. This includes: 

  • Development of standards for dimensional nanometrology with scanning probe and scanning electron microscopes (diameter, pitch, tip geometry, etc.) and performance of investigations on them
  • Investigation into the interaction between probe and surface in scanning probe microscopes and their influence on the measurement (probing uncertainty)

Calibration of standards for scanning probe microscopy

 

  • flatness
  • step height
  • 1D and 2D lateral standards (determination of pitch)
  • combination standards (determination of pitch and step height)

Messung von Rastersondenmikroskopen gitterförmigen Strukturen (1D- und 2D-Lateralnormale)

Zur Kalibrierung von Rasterkraftmikroskopen (SFM) in x- und y-Richtung finden spezielle Maßverkörperungen Anwendung, die durch ihre periodische Topographie Aussagen zu Einflüssen der Nichtlinearitäten vom Scannersystem und anderer Parameter des SFM auf die ermittelten Messergebnisse zulassen.

Typische Beispiele für häufig verwendete Maßverkörperungen sind ein- bzw. zweidimensionale Standards mit Pitch-Abständen von 100, 300 und 1000 nm. Als Strukturen auf den Maßverkörperungen finden ein- bzw. zweidimensionale Sinusgitter sowie Strukturen in Form von schachbrettartigen Mustern Anwendung. Normalerweise werden die Strukturen durch Elektronenlithographie in Silizium-Substrate geschrieben. Durch eine geeignete Beschichtung mit einem metallischen Überzug (z.B. Chrom, Aluminium, Gold u.a.) können diese Maßverkörperungen auch mit optischen Verfahren wie der Methode der Diffraktionsmessung charakterisiert werden. Somit steht ein geeignetes Mittel zum Vergleich der Messergebnisse von optischen und rastersondenmikroskopischen Messverfahren zur Verfügung. Mit der Messfläche von 70 x 15 µm des Rasterkraftmikroskop VERITEKT B können in x- und y-Richtung Oberflächenscans durchgeführt werden, die eine große Anzahl der periodischen Strukturen beinhalten.
Mit geeigneten Auswerteverfahren auf der Basis von FFT-Algorithmen (Programm SPIP der Fa. ImageMetrology) sowie dem im Fachbereich 5.1 entwickelten Auswerteverfahren TOPO, können Aussagen zur Periodenlänge der Strukturen sowie zu systematischen Messfehlern, die durch das SFM als auch das Messobjekt selbst bedingt sind, getätigt werden.
Ein typischer 3D-Scan eines eindimensionalen Sinusgitters mit einer Periodenlänge von ca. 400 nm ist im Bild 3 dargestellt.

An diesem und zwei weiteren Gittern sind Vergleichsmessungen an einem Messplatz zur optischen Diffraktion durchgeführt worden.

Ergebnisse:

Gittertyp Gitterperiode in nm
bestimmt mit
Veritekt B Diffraktion
Mittlere Gitterperiode
in nm bestimmt
mit der optischen
Diffraktion
Differenz der Messergebnisse
von SFM und
optischer Diffraktion
in nm
BIPM-93 277,49 277,44 0,05
BIPM-99-1 279,77 279,71 0,06
KG400 416,56 416,67 -0,11

Die Vergleichsmessungen haben gezeigt, dass die Differenzen der Messergebnisse beider Messverfahren im Subnanometerbereich liegen. Der Vergleich der erweiterten Messunsicherheiten beim Verfahren der optischen Diffraktion (0,05 - 0,1 nm) mit der erweiterten Messunsicherheit des SFM in xy-Richtung (U(K=2) = 0,6 nm + 10-4 · L) unter Berücksichtigung der Differenzen der Messergebnisse lässt den Schluss zu, dass im Ergebnis weitergehender Untersuchungen die Messunsicherheit des VERITEKT B reduziert werden kann.

Self calibration and error analysis for scanning probe microscopes

 

Self calibration for dimensional metrology is measuring a rigid artefact at different locations and orien-tations (named as measurement views) by a to-be calibrated instrument. Dimensional stability of the artefact is presumed. The system error map of the instrument can be reconstructed on the basis of the measurement results at different measurement views, and the accuracy of the calibration is nearly at the same order as the measurement stability of the instrument. 

The measurement strategy in our first self calibration experiment is shown in figure 1. A sample, here a 2D grating with a nominal pitch of 3 µm, is measured with a commercial SPM at three measurement views (normal, rotation and shift). The extracted error map indicates a strong nonlinearity at the left edge of the scan range, which was verified by a metrological SPM. The self calibration method has advantages such as a rather simple calibration setup, being capable of extracting both artefact-related and SPM-related errors, and a high calibration performance only limited by the stability of the instru-ments. It could be a kind of effective complementary method for mapping more errors of SPMs.

Figure 1: Measurement strategy in our first self calibration experiment