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Fertigungskette von Si-Kugeln und interferometrische Bestimmung des Kugelvolumens

SUB-NM ACCURATE TIP CHARACTERISATION

Die Spitzencharakterisierung mit einer Genauigkeit im Subnanometer-Bereich

 

Der Einfluss der Spitzengeometrie wirkt sich in zwei Richtungen auf das AFM-Messergebnis aus. Zuerst bestimmt die Tastspitzen/Messobjekt-Oberflächen-Wechselwirkung die fundamentalen Messeigenschaften des AFM und weiterhin definiert die Spitzengeometrie das Auflösungsverhalten des AFM. Vom morphologischen Standpunkt betrachtet ist das mit dem AFM gemessene Profil das Ergebnis der Dilatation des echten Strukturprofils mit der effektiven Spitzengeometrie, wobei die effektive Spitzengeometrie sowohl die physikalische Spitzengeometrie als auch die Wechselwirkungen zwischen Tastspitze und Messobjekt-oberfläche berücksichtigt.
In der PTB wurde ein neues Verfahren und detaillierte Algorithmen für die Charakterisierung der Spitzenform im 3D/CD-AFM entwickelt. Das Verfahren basiert auf der klassischen Theorie der Morphologie, zusätzlich wurden verschiedene neue Designideen und Methoden gewissenhaft entwickelt und für das Erreichen einer hohen Genauigkeit angewendet. So wurde zum einen das Linienbreitennormal vom Typ IVPS100-PTB, welches im Ergebnis der Zusammenarbeit der Fa. Team Nanotec und der PTB entstanden ist, als Spitzen-Charakterisierer verwendet. Es weist eine Reihe von Vorzügen wie z.B. die exzellente Homogenität der Linienbreitenstrukturen auf, deren Breite durch den Vergleich mit der Gitterabstandskonstante des Si-Einkristalls kalibriert worden ist. Des Weiteren wird die Spitzencharakterisierung in einem Zwei-Stufen-Ansatz realisiert, um den Einfluss der Linienbreitenrauheit (LWR) des Spitzen-Charakterisierers zu minimieren. Hierbei wird im ersten Schritt die effektive Spitzenbreite als die Differenz der gemessenen und der kalibrierten Linienbreite bestimmt; hierbei sind diese Werte Mittelwerte aus Messungen über einen relativ großen Messbereich (typischerweise über mehrere Mikrometer). Auf der Basis des Mittelungseffektes ergibt sich der Vorteil, dass die so bestimmte Linienbreite relativ unempfindlich gegenüber der LWR ist. Im zweiten Schritt wird die Spitzenform durch die Anwendung der morphologischen Operationen auf der Basis der im Schritt 1 ermittelten Spitzenbreite als Vorinformation bestimmt. Im dritten Schritt wird der morphologische Algorithmus unter Verwendung von Spline-Filterung, des Re-Samplings und von empfindlichen Fit-Algorithmen angewendet, um solche praktischen Beschränkungen der Messung wie das Messrauschen, die begrenzte Pixeldichte und die Mittelung in der ermittelten Punktwolke zu berücksichtigen.
Eine gründliche experimentelle Untersuchung wurde mit dem Ziel des Nachweises der Richtigkeit der entwickelten Methode durchgeführt.
Bild 1 zeigt das rekonstruierte Spitzenprofil für eine Tastspitze vom Typ CDR120, das im Ergebnis von fünf wiederholten Spitzencharakterisierungsdurchläufen ermittelt wurde.
Das Ergebnis zeigt eine exzellente Wiederholbarkeit von unter 0,1 nm. Bild 2 zeigt ein rekonstruiertes Spitzenprofil für eine CDR120-Tastspitze, das auf den Ergebnissen von 20 Spitzencharakterisierungsdurchläufen beruht, wobei diese an zwei verschiedenen Spitzen-Charakterisierern (beide vom Typ IVPS100-PTB) vor und nach der Kundenkalibrierung ermittelt wurden. Ziel dieser Untersuchung war die Bestimmung des möglichen Einflusses der Inhomogenität des Spitzen-Charakterisierers und des Spitzenverschleißes auf die Rekonstruktion der Spitzenform. Im Ergebnis ist ein Unterschied von 0,4 nm zwischen den ermittelten Spitzenprofilen erkennbar. Trotzdem zeigt das Ergebnis eine Stabilität des Spitzenprofils von besser als 0,1 nm vor und nach der Kundenkalibrierung, was auf einen sehr geringen Spitzenverschleiß deuten lässt.

Bild 1: Das rekonstruierte Spitzenprofil für eine CD-AFM-Tastspitze vom Typ CDR120, das im Ergebnis von fünf nacheinander folgenden Spitzencharakterisierungsdurchläufen ermittelt wurde. Die vergrößerten Bildfelder zeigen die Detailansicht der Spitzenprofile in den markierten Bereichen. Das Ergebnis zeigt eine exzellente Wiederholbarkeit von besser als 0,1 nm.