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Die PTB auf Fachmessen

Sub-Nanometer-Strukturen zur Charakterisierung von Topographiemessgeräten

Mit drei Normalen stellt die PTB einen vollständigen Satz zur Kalibrierung und Verifizierung von taktil messenden Geräten für die Rauheitsmessung im Nanometerbereich zur Verfügung.

Technologisch werden fein- und feinstbearbeitete Oberflächen immer wichtiger. Für die Funktion der Oberfläche ist dabei häufig die Feingestalt, sprich die Rauheit sehr wichtig. Diese lässt sich, auch bei Strukturen im einstelligen Nanometerbereich präzise und genau mit taktilen Messgeräten erfassen. Diese sind vor dem Einsatz im Hinblick auf die beabsichtigte Aufwendung zu kalibrieren bzw. zu prüfen. Dazu werden Tiefeneinstellnormale zur Kalibrierung der vertikalen Achse, der Messachse, benutzt, während mit Hilfe entsprechender Nano-Raunormale eine aufgabenspezifische Prüfung durchgeführt wird. Bei taktil messenden Geräten ist ferner die Form der benutzten Tastspitze zu ermitteln, um anschließend deren Einfluss aus den gemessenen Profilen herausrechnen zu können. Hierzu benötigt man ein Normal, mit dem sich der Radius und der Öffnungswinkel der benutzten Tastspitze bestimmen lassen.

Für die Herstellung von Stufenhöhennormalen wurde die Selbstorganisation von Siliziumatomen auf kristallinen Oberflächen genutzt. Damit lassen sich große, atomar glatte Terrassen mit einer oder mehreren monoatomaren Stufen herstellen. Die Stufenhöhe entspricht dann dem Gitterabstand, d. h. bei Si(111) Oberflächen beträgt die Stufenhöhen 0,31 nm. Mittels Rasterkraftmikroskopen lassen sich diese Stufen mit Messunsicherheiten im Pikometerbereich (U < 0,02 nm) kalibrieren.

Bislang unternommene Versuche, Raunormale im Nanometerbereich herzustellen, scheiterten an der Realisierung einer Profil- bzw. Topographiewiederholung. Letzteres hat sich bei den Raunormalen als eine wichtige Eigenschaft herauskristallisiert, da hierdurch die Prüfung des Gerätes nur von der Messlänge und nicht vom Startpunkt abhängt. Durch den Einsatz von fokussierten Ionenstrahlen konnten in Siliziumoberflächen entsprechend feine Profile zw. Topographien eingebracht werden. Über den Ionenstrahl ist eine Profilwiederholung gut realisierbar. Die Feldgrößen von bis zu 300 µm x 300 µm sind für optische und Rastersonden-Mikroskope groß genug.

Mittels Elektronenstrahl-Lithographie konnten in Siliziumoberflächen Rechteckstrukturen mit konstanter Tiefe, mit kleinen Rillenbreiten bis hinunter auf 0,3 µm und mit scharfen Kanten realisiert werden. Solange die Weite der Rechteckrillen groß genug ist, kann die Spitze bis zum Grabengrund eindringen und die Tiefe richtig wiedergeben. Bei kleiner werdenden Weiten gelingt dies nicht mehr. Aus der als Funktion der Weite gemessenen Tiefe lässt sich eine Aussage über den Spitzenradius und zur Spitzenform machen.

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