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Fertigungskette von Si-Kugeln und interferometrische Bestimmung des Kugelvolumens

HIGH-SPEED AFM

Das AFM mit hoher Messgeschwindigkeit

 

Da es sich bei der AFM-Messung um ein Messverfahren mit vergleichsweise kleiner Messgeschwindigkeit handelt, stellt dieses einen der wesentlichen Nachteile der AFM/SPM-Messtechnik dar. Betrachtet man ein klassisches Rasterkraftmikroskop (AFM) mit einer Scangeschwindigkeit der Tastspitze von beispielsweise 30 µm/s, so dauert es ungefähr eine Stunde, um einen Messdatensatz von 1024 x 1024 Messpunkten bei einem lateralen Scanbereich von 100 µm x 100 µm zu generieren. Diese Situation verschärft sich noch im Falle des Met. LR-AFM mit einem Messvolumen von 25 mm x 25 mm x 5 mm (x, y, z). Die geringe Messgeschwindigkeit bedingt nicht nur einen kleinen Datendurchsatz sondern zusätzlich eine nicht zu vernachlässigende Drift über die lange Messdauer (bis hin zu Stunden oder sogar Tagen). Zur Lösung dieses Problems wurde in der PTB auf der Basis des Met. LR-AFM ein metrologisches Rasterkraftmikroskop mit hoher Messgeschwindigkeit (Met. HS-LR-AFM) entwickelt. Hierbei sind sowohl die Faktoren einer genauen Messung und einer entscheidend gesteigerten Messgeschwindigkeit berücksichtigt worden, da sie entscheidend für die Realisierung einer schnellen und genauen Nanometrologie sind.
Verschiedene wichtige Designkonzepte wurden in das Gerät implementiert, um sowohl die hohe Messgeschwindigkeit als auch das verbesserte metrologische Verhalten zu realisieren:

  •  Anstelle des Intermittent- oder des Non-Contact-Modus wurde der Contact-Modus angewendet, welcher eine kürzere Reaktionszeit des AFM-Regelkreises und einen größeren Abtastbereich bietet.
  • Während der Messung wird das Messobjekt in der XY-Ebene ausschließlich durch die NMM bewegt (da die Bewegung normalerweise mit einer konstanten Geschwindig-keit erfolgt und deshalb keine großen Anforderungen an die Dynamik des XY-Scanners gestellt werden). Die hohe Dynamik des Messobjektes in der z-Achse wird dazu im Gegensatz durch eine parallele kombinierte Bewegung von z-Tisch der NMM und des sich auf ihm befindlichen Piezotisches erreicht.
  • Das Ausgangssignal des AFM-Messkopfes wird mit dem Positionssignalen des Piezotisches und des z-Tisches der NMM kombiniert und daraus die Topographie der gemessenen Oberfläche generiert. Die Kombination dieser Signale bietet eine große Bandbreite und ermöglicht somit die Fähigkeit zur Messung mit hoher Geschwindigkeit.
  • Zwei wichtige Maßnahmen wurden zur Reduzierung von Störungen im gemessenen Scanprofil getroffen: (a) die Zeitverzögerung der Sensorsignale wird korrigiert; (b) die Positionssensoren des AFM-Messkopfes und des Piezotisches werden rückführbar mit Hilfe des z-Interferometers der NMM kalibriert.

Zur Demonstration des metrologischen Verhaltens des Met. LR-AFM mit hoher Messge-schwindigkeit zeigt Bild 1 ein Messprofil, das an der gleichen Position mit unterschiedlichen Verfahrgeschwindigkeiten (von 10 µm/s bis 500 µm/s) erfasst wurde. Es ist erkennbar, dass die Qualität des gemessenen Profils bei den Geschwindigkeiten sehr ähnlich ist, obwohl die Messgeschwindigkeit um den Faktor 50 erhöht worden war.


Bild 1: An einem PTB-Raunormal (RN 505) mit dem HR-Met. LR-AFM gemessene Oberflächenprofile, gemessen an der gleichen Position mit unterschiedlichen Verfahrgeschwindigkeiten von 10 µm/s bis 500 µm/s. Der Offset in der z-Achse dient lediglich zur besseren Darstellung der einzelnen Profile.

Für weitergehende Informationen zu diesem Forschungsgebiet siehe die nachfolgenden Veröffentlichungen:
[1] Gaoliang Dai et al. High-speed metrological large range AFM, Meas. Sci. Technol. 26 (2015) 095402
[2] Gaoliang Dai et al. Fast and accurate: high-speed metrological large range AFM for surface and nanometrology Meas. Sci. Technol. 29 (2018) 054012
[3] Timo Strahlendorff et al. Tip wear and tip breakage in high-speed atomic force microscopes, Ultramicroscopy 201 (2019) 28–37