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Fertigungskette von Si-Kugeln und interferometrische Bestimmung des Kugelvolumens

AFM Strukturbreiten-Metrologie

Arbeitsgruppe 5.23

Genaue und rückführbare Kalibrierung von nanoskaligen Normalen

 

Dieser Forschungsschwerpunkt wird seit den frühen neunziger Jahren des 20. Jahrhunderts durch die PTB bearbeitet. Das Ziel hierbei ist die Entwicklung von genauen und rückführbaren Messmethoden, die für die Kalibrierung von geometrischen Eigenschaften von fast allen Mikroskop-Typen notwendig sind, als da wären

  • Verstärkung (Skalierungsfaktoren) der Achsen x, y und z;
  • Nichtlinearitäten der Achsen;
  • Ebenheit;
  • Rechtwinkligkeit


Unsere Forschungsthemen auf diesem Gebiet umfassen

  • hochentwickelte Messinstrumente auf dem Gebiet der metrologischen AFM;
  • Entwicklung von Mess- und Kalibrierstrategien;
  • Erarbeitung von Datenauswertealgorithmen und Softwareprodukten;
  • Abschätzung der Messunsicherheit;
  • Anbieten von Kalibrierdienstleistungen mit dem höchsten Genauigkeitsniveau;
  • Teilnahme an internationalen Maßvergleichen;
  • Mitarbeit bei der Erarbeitung von Normen


Ein repräsentatives Messgerät für diese Forschungsaufgabe stellt das Metrologische AFM mit erweitertem Messbereich (Met. LR-AFM) dar. Es basiert auf dem Nanomess- und Nanopositioniersystem Nanomessmaschine (NMM), das in enger Kooperation mit der TU Ilmenau und der Fa. SIOS Messtechnik GmbH entstanden ist.

Das Messgerät hat die nachfolgenden einzigartigen Merkmale:

  • das direkte Scannen über eine Oberfläche innerhalb eines Messvolumens von 25 mm  x 25 mm x 5 mm ohne die Notwendigkeit des Zusammenfügens von Messdaten durch Stitching-Operationen; die Verschiebung des Scansystems entlang der Achsen x, y und z wird direkt über Laserinterferometer mit einer Auflösung von 0,08 nm unter Einhaltung des Abbeschen Messprinzips gemessen; dadurch sind die Messergebnisse direkt auf die SI-Einheit der Länge, das Meter, rückführbar;
  • die sehr hohe Messgenauigkeit. Die erreichbare Kalibriergenauigkeit beträgt U ≈ 1 nm (k = 2) für  Stufenhöhenkalibrierungen und U ≈ 0,01 nm (k = 2) für die Bestimmung des mittleren  Gitterabstandes (Pitch) bei der Kalibrierung von 1D/2D-Gittern mit einem nominellen Pitch-Wert von 100 nm.
  • es sind verschiedenartige Antastverfahren für das Messgerät verfügbar: AFM (contact mode, intermittent contact und non-contact mode) Tastschnittsensor, Mikro-KMG-Taster und ein optischer Fokussensor;
  • „das“ Messgerät für die Nanometrologie in der PTB;
  • das herausragende metrologische Verhalten des Messgerätes wurde in mehreren internationalen Maßvergleichen unter Beweis gestellt z.B. im Rahmen von Nano2 und Nano5

 

 

Bild 1: (a) Foto des Aufbaus des Messgerätes Met. LR-AFM im Reinraumzentrum der PTB. Das Messgerät wurde auf der Basis der Nanomessmaschine (NMM) der Fa. SIOS Messtechnik GmbH aufgebaut.

(b) Rauschen der z-Achse des Messgerätes aufgezeichnet bei einer Abtastfrequenz von 6,25 kHz; dargestellt sind die Rohwerte ohne die Anwendung von Filtertechniken. Verglichen werden die Rauschpegel des Messgerätes vor und nach der Modernisierung  im Jahre 2011.

Für weitergehende Informationen zu diesem Forschungsschwerpunkt siehe die nachfolgenden Veröffentlichungen:

  • Gaoliang Dai, Frank Pohlenz, Hans-Ulrich Danzebrink, et al. 2004 Metrological large range scanning probe microscope, Rev. Sci. Instrum., Vol. 75, No. 4
  • Gaoliang Dai,Helmut Wolff, Frank Pohlenz et al. 2009 A metrological large range atomic force microscope with improved performance, Review of Scientific Instruments 80, 043702
  • Gaoliang Dai, Frank Pohlenz, Min Xu et al. 2006, Accurate and traceable measurement of nano- and microstructures, Meas. Sci. Technol. 17, pp. 545–552
  • Gaoliang Dai, Ludger Koenders, Frank Pohlenz et al. 2005 Accurate and traceable calibration of one-dimensional gratings, Meas. Sci. Technol. 16, pp.1241–1249
  • Gaoliang Dai, Frank Pohlenz, Thorsten Dziomba et al. 2007 Accurate and traceable calibration of two-dimensional gratings, Meas. Sci. Technol. 18:  415–421