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Symbolbild "Zeitschriften"

Einfach glatt

Besonders interessant für:

  • Entwickler von Rastersonden und anderen Mikroskopen
  • Oberflächenmesstechniker

In der PTB wurden Silicium-Oberflächen hergestellt, die atomar glatt sind und sich als Referenznormale für die Oberflächenmesstechnik eignen. Weil sie außerdem durch monoatomar hohe, aber mikrometerbreite Stufen begrenzt sind, können sie auch zur präzisen Kalibrierung der Topographie-Messachse bei Oberflächenmessgeräten eingesetzt werden.

Rasterkraftmikroskopische Aufnahme einer größeren, atomar glatten Ebene auf einem (111)-Siliciumwafer. Im oberen Bereich ist eine monoatomare Stufe mit einer Höhe von 0,31 nm zu sehen. Durch diese Messung sind Abweichungen im Messinstrument (hier: Scanner) von Bruchteilen von Nanometern deutlich zu erkennen.

Glatte Oberflächen können dazu dienen, bei Oberflächenmessgeräten Abweichungen in der "Abbildung" zu messen – zum Beispiel bei taktilen Messgeräten die Führungsfehler der Bewegungsachsen, bei Interferenzmikroskopen die Qualität der Bezugsfläche. Entsprechende Oberflächen lassen sich beispielsweise bei Endmaßen, Plangläsern oder Siliciumwafern mit verschiedenen Polierverfahren herstellen. Allerdings sind diese Oberflächen über größere Bereiche und auf atomarer Skala noch eher rauh.

Ideal wäre es, bei kristallinen, versetzungsfreien Materialien möglichst große Flächen herzustellen, die aus einer einzigen Gitterebene bestehen. Begrenzt man diese atomar glatten Bereiche noch durch monoatomare Stufen mit großen Terrassenbreiten, könnte man neben der Ebenheit auch noch eine präzise Kalibrierung der Topographie-Messachse bei Oberflächenmessgeräten für höchste Auflösungen erreichen. Als Material wäre Silicium mit atomaren Gitterabständen, also Stufenhöhen von 0,13 nm für Si(001)- bzw. 0,31 nm für Si(111)-Ebenen, gut geeignet.

Silicium kann man zwar versetzungsfrei herstellen, aber auf vielen Abbildungen, die mit Rastersondenmikroskopen aufgenommen wurden, ist eine Vielzahl von Stufen mit Terrassenbreiten von weniger als 300 nm zu beobachten. Ursache hierfür ist die begrenzte Genauigkeit beim Ausrichten der Wafer vor dem Sägen in Bezug auf deren kristalline Orientierung (> 0,02°).

Mittels Tempern von Siliciumwafern im Ultrahochvakuum konnten in der PTB Oberflächen mit größeren stufenfreien Bereichen hergestellt werden. Begrenzt werden diese Bereiche durch eine Folge monoatomarer Stufen mit Terrassenbreiten von bis zu einigen Mikrometern. Durch geeignete Behandlung der Oberflächen nach dem Tempern im Vakuum wächst auf den Siliciumwafern eine nur sehr dünne und homogene Oxidschicht auf, die diese Flächen gleichzeitig passiviert. Derartig hergestellte Oberflächen sind auch an Luft über Monate stabil und für die Oberflächenmesstechnik als Referenznormale einsetzbar.

Genutzt wurden diese Oberflächen, um bei Rasterkraftmikroskopen Führungsfehler der Bewegungsachsen und Effekte des optischen Detektionssystems für die Bestimmung der Cantilever-Verbiegung zu erfassen und so die Rasterkraftmikroskope weiter zu optimieren. Bei optischen Mikroskopen zur Topographiebestimmung konnte das Auflösungsvermögen der Topographie-Messachse geprüft werden. In Zukunft wäre bei entsprechend genauer Kalibrierung auch die Nutzung als Normal zur Rückführung von Mikroskopen möglich.

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