In der Halbleiterindustrie werden die Strukturen immer kleiner und die eingesetzten 3D-Nanostrukturen immer komplexer. Nur so ist die zunehmende Leistung integrierter Schaltungen und die immer größere Funktionalisierung von Halbleiterbauelementen möglich. Hier gilt wie auch anderswo in der Industrie: Während die industriell gefertigten Produkte immer kleiner werden, müssen auch die rückgeführten, ultrahochauflösenden Messtechnologien und die Kalibriernormale kontinuierlich weiterentwickelt werden.
Dabei spielen die dimensionellen Größen Breite, Höhe, Welligkeit, Oberflächenrauheit, Kantenrauheit und -steilheit sowie die Schichtdicke eine zentrale Rolle. Weitere bedeutende Eigenschaften sind die Biegesteifigkeit von Nanosäulen (in Biosensoren), die chemische Zusammensetzung oder die Defektdichte (in Solarzellen und Katalysatoren) oder elektrische und optische Oberflächeneigenschaften.
Für die rückgeführte Messung dimensioneller Größen werden Rasterelektronen-, Rasterkraft- und optische Mikroskopie weiterentwickelt. Darüber hinaus ermöglichen scatterometrische und ellipsometrische Verfahren mit Wellenlängen vom optischen über den DUV-(tiefen UV-) und EUV- (extremen UV-) bis in den Röntgenspektralbereich die rückgeführte Charakterisierung von 2D- und 3D-Nanostrukturen. Durch die Verbindung von Röntgenstreuung unter streifendem Einfall mit der Auswertung der Fluoreszenz kann neben den geometrischen Abmessungen auch die lokale atomare Zusammensetzung der Nanostrukturen bestimmt werden. Verwendet man EUV- statt Röntgenstrahlung, können die Einfallswinkel vergrößert und die bestrahlte Fläche verkleinert werden. Alternativ lässt sich die Winkelverteilung der Fluoreszenz unter sehr kleinen Winkeln zur Oberfläche erfassen. Die letztere Methode erlaubt die Anregung unter senkrechtem Einfall und ist daher besonders für die Messung auf kleinen Testfeldern geeignet.
Bei der Messung der Materialhärte mithilfe von Eindringkörpern ist man sogar schon über den Nano-Bereich hinaus: Die Nanoindentation misst die mechanische Steifigkeit mit Eindrucktiefen im Pikometerbereich.
Mithilfe der optischen Müller-Ellipsometrie, der Röntgenreflektometrie und der Röntgenspektrometrie lassen sich Schichtdicken und Schichtsysteme im Nanometerbereich mit Messunsicherheiten im Sub-Nanometerbereich sowie Defekte messen. Auch hier werden für die Auswertung der Messergebnisse Algorithmen des maschinellen Lernens entwickelt. Dabei ist es eine neue Herausforderung, den Einfluss des Auswertealgorithmus auf die Unsicherheitsbudgets abzuschätzen.
Geht es um die Untersuchung der chemischen Eigenschaften dünner Schichten und Schichtsysteme, werden spektrometrische Messmethoden eingesetzt.