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Fertigungskette von Si-Kugeln und interferometrische Bestimmung des Kugelvolumens

3D Nanometrologie

Arbeitsgruppe 5.23

Echte 3D-Nanometrologie an Nanostrukturen

 

Diese Forschungsaufgabe hat das Ziel, die Referenzmetrologie für 3D-Nanostrukturen zu entwickeln; das beinhaltet im Speziellen die Messung der Strukturbreite, von Kantenprofilen, des Seitenwandwinkels, der Verrundung von Ecken an den Strukturen, des Bodenbereichs, der Kontur der Strukturen, der Rauheit an Linienkanten und Linienbreiten u.a. Parameter.Unsere Forschungsthemen auf diesem Gebiet umfassen:

  •  hochentwickelte Messgeräte auf dem Gebiet der 3D/CD-Rasterkraftmikroskopie;
  •  die Entwicklung von neuartigen Tastspitzen für 3D-AFM;
  •  neue Mess- und Antaststrategien für die 3D-Charakterisierung mit dem AFM;
  •  neue Strategien auf dem Gebiet der Rückführbarkeit;
  •  die Charakterisierung der Tastspitze im Sub-Nanometer-Bereich;
  •  die Modellierung der Wechselwirkung von Tastspitze und Messobjekt in 3D;
  •  Anbieten von Kalibrierdienstleistungen mit dem höchsten Genauigkeitsniveau


Ein repräsentatives Messgerät für diese Forschungsaufgabe ist das 3D/CD-AFM, das in der PTB entwickelt wurde. In diesem Messgerät wird ein luftgelagertes Positioniersystem mit einem Verschiebebereich von 500 mm x 300 mm für die Positionierung von großen Messobjekten wie Photomasken verwendet; dieses Positioniersystem wurde von der ehemaligen Firma S.I.S. entwickelt und als Komponente des AFM NanoStation 300 vertrieben.

3D/CD-AFM für echte 3D-Metrologie an Nanostrukturen

  • Anwendung eines neuartigen Antastverfahrens „Vector Approach Probing (VAP)“ im Messkopf für die verbesserte Antastempfindlichkeit und einen reduzierten Spitzenverschleiß;
  • eine hervorragendes metrologisches Verhalten bei 3D-Messungen mit einer punktweisen Wiederholbarkeit von bis zu 0,12 nm;
  • das luftgelagerte Positioniersystem mit dem lateralen Verschiebebereich von 500 mm x 300 mm (x, y) ermöglicht das Messen an großen Messobjekten wie z.B. Photomasken;
  • Scanbereich des AFM-Moduls: 45 µm x 12 µm x 45 µm (x, y, z);
  • für die AFM-Messungen werden sogenannte „Flared tips“ (aufgeweitete Tastspitzen) verwendet, die die Messung an vertikalen oder sogar unterschnittenen Oberflächenstrukturen ermöglichen;
  • die Geometrie der AFM-Tastspitzen kann auf der Basis des Vergleichs mit der Gitterkonstante des Silizium-Einkristalls im STEM sehr genau und rückführbar bestimmt werden und ermöglicht damit die genaue Kalibrierung der Strukturbreite oder von Seitenwandprofilen;
  • umfangreiche Erweiterungsmöglichkeiten am Messgerät für die Realisierung auch spezieller metrologischer Anforderungen;
  • das metrologische Verhalten des Messgerätes wurde im Rahmen von Messungen im internationalen Maßvergleich Nano6 und des bilateralen Vergleichs zwischen dem NIST und der PTB unter Beweis gestellt.

Bild 1: (a) Foto des Basisgerätes für das 3D/CD-AFM, die NanoStation 300, wie es durch die ehemalige Firma S.I.S. gebaut wurde;

(b) Foto des in der PTB entwickelten 3D/CD-AFM-Moduls. Das Modul ist an der Brücke der NanoStation 300 befestigt und erlaubt die Messung an großen Messobjekten.

Bild 2:    Illustration des typischen Messverhaltens des 3D/CD-AFM dargestellt anhand eines Profils, das an einem Messobjekt vom Typ IVPS-100 ermittelt wurde; hierbei sind vier Profile von aufeinanderfolgenden Messungen dargestellt, die eine exzellente Wiederholbarkeit der Messungen unterhalb von 1 nm aufweisen. Die Vergrößerungen zeigen die Details der gemessenen Struktur an den markierten Bereichen.

Für weitergehende Informationen zu diesem Forschungsgebiet siehe die nachfolgenden Veröffentlichungen:

  • Gaoliang Dai et al.  New developments at Physikalisch Technische Bundesanstalt in three-dimensional atomic force microscopy with tapping and torsion atomic force microscopy mode and vector approach probing strategy, J. Micro/Nanolith. MEMS MOEMS 11(1), (2012 ) 011004
  • Gaoliang Dai et al. Measurements of CD and sidewall profile of EUV photomask structures using CD-AFM and tilting-AFM, Meas. Sci. Technol. 25 (2014) 044002
  • Patent of a new 3D-AFM probe