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Fertigungskette von Si-Kugeln und interferometrische Bestimmung des Kugelvolumens

AFM Strukturbreiten-Metrologie

Arbeitsgruppe 5.23

Eine neue rückführbare Prozedur über die Gitterkonstante des Silizium-Einkristalls für die 3D-Nanometrologie

 

Die rückführbare Kalibrierung der effektiven Spitzengeometrie ist auch heute noch eine herausfordernde Messaufgabe. Wir kalibrieren die effektive Spitzengeometrie anhand von Referenzstrukturen, deren Geometrie genau und rückführbar mittels Transmissionselek-tronenmikroskopie (TEM) vorab bestimmt worden ist. Zwei Methoden werden hierfür eingesetzt, um die Rückführbarkeit gemäß Bild 1 zu erreichen. Die erste Methode verwendet den Gitterabstand zwischen den Kristallebenen im Si-Einkristall als einen internen Maßstab. Wie in Bild 1a dargestellt kann die Geometrie der Struktur berechnet werden, indem man die Anzahl der Kristallebenen innerhalb der Struktur N zählt und diese mit der Gitterabstandskonstante für Silizium d111 multipliziert. Diese ist auf der Basis der Anwendung der kombinierten Röntgen- und optischen Interferometrie für das Si-Bulk-Material mit d111 = 313,56011(1) pm sehr genau bestimmt worden. Dieses Verfahren ist sehr genau, aber es setzt voraus, dass das Material des Messobjektes ein Einkristall ist. Um diese Beschränkung aufzuheben, wurde ein alternatives Verfahren, wie im Bild 1 b gezeigt, entwickelt. Bei der Anwendung dieser Methode wird der Pitch-Wert von Linienstrukturen genau und rückführbar z.B. mit einem metrologischen AFM vorab bestimmt. Anschließend wird die Linienstruktur mit dem TEM erfasst und anhand des Bildes können der Pitch-Wert (M) und die Linienbreite (N) eines Paares von Strukturen in Pixeln bestimmt werden. Dadurch kann der Skalierungsfaktor des TEM-Bildes als K = L/M in nm/Pixel errechnet werden und die Breite der Struktur ergibt sich damit als W = N * L/M. Eine wichtige Grundlage für die Umsetzung dieses Verfahrens besteht darin, dass die Bestimmung des Pitch-Wertes mit dem AFM im Gegensatz zur CD-Metrologie unabhängig von der Spitzengeometrie ist.
Die Rückführungsketten dieser beiden Verfahren unterscheiden sich stark. Während bei der ersten Methode die Rückführungskette über die Gitterkonstante der Si-Einkristall-TEM-Lamelle, die Röntgeninterferometrie am Si-Bulk-Material, die optische Interferometrie und über die optische Wellenlänge des verwendeten Laserlichtes zur Definition des Meters im SI-System gebildet wird, ergibt sich die Rückführungskette für die zweite Methode aus der durch Laserinterferometer gemessenen Position des Messobjektes, die optische Wellenlänge und die Definition des Meters im SI-System. Die Konsistenz dieser beiden Verfahren wurde durch vorangegangene Untersuchungen überprüft.

Bild 1: Zwei Strategien zur rückführbaren Kalibrierung der Geometrie von Referenz-Nanostrukturen basierend auf der Auswertung von TEM-Bildern, die von ihnen aufgenommen wurden, unter Berücksichtigung der Gitterkonstante des Si-Einkristalls (a) und durch die Messung mit dem metrologischem AFM (b).

Für weitergehende Informationen zu diesem Forschungsgebiet siehe die nachfolgenden Veröffentlichungen:

[1] Gaoliang Dai et al.  Gaoliang Dai, Ludger Koenders, Jens Fluegge, Harald Bosse, “Two approaches for realizing traceability in nanoscale dimensional metrology,” Opt. Eng. 55(9), 091407 (2016), doi: 10.1117/1.OE.55.9.091407.
[2] Gaoliang Dai et al. Reference nano-dimensional metrology by scanning transmission electron microscopy, Meas. Sci. Technol. 24 (2013) 085001
[3] Gaoliang Dai et al. Development and characterisation of a new line width reference material, Meas. Sci. Technol. 26 (2015) 115006
[4] Gaoliang Dai et al. Comparison of line width calibration using critical dimension atomic force microscopes between PTB and NIST, Meas. Sci. Technol. 28 (2017) 065010