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Fertigungskette von Si-Kugeln und interferometrische Bestimmung des Kugelvolumens

3D-REM-Messungen für die Charakterisierung von Mikrotastspitzen

22.12.2020

In der PTB werden seit Jahren lange und schmale piezoresistive Silizium-Mikrotaster mit integrierter Tastspitze für präzise und schnelle Oberflächenmessungen, einschl. Rauheitsmessungen innerhalb von Mikrostrukturen mit hohem Aspektverhältnis, eingesetzt [1]. Leider führt die schnelle Messung auf harten Oberflächen zu einem erheblichen Verschleiß der integrierten Siliziumspitzen. Da die taktil gemessene Topographie immer mit der Form der Tastspitze gefaltet ist, erfordert eine präzise Oberflächenmessung auch eine schnelle und validierte Methode zur Tastspitzencharakterisierung.

Am Elektronenmikroskop Verios G4 (FEI, Thermo-Fischer-Scientific) im Reinraumzentrum der PTB wurde nun ein Vierquadranten-Detektorsystem (point electronic GmbH) in Betrieb genommen, mit dem mittels des sog. „shape from shading“-Verfahrens die 3D-Form einer zu messenden Struktur rekonstruiert werden kann [2,3]. Mit Hilfe von Kalibrierstrukturen [4] konnten Einflüsse wie Probenrotation, verkippung und der Arbeitsabstand systematisch untersucht werden. Es zeigte sich, dass die Rotation der Probe unkritisch ist, wenn das Substrat in den Randbereichen der Bilder flach ist, und sich eine Verkippung bis 2 ° nicht auf die Kalibrierfaktoren für die 3D-Rekonstruktion auswirkt. Der optimale Arbeitsabstand von 5,4 mm des Detektorsystems konnte durch ein Intensitätsmaximum im Signal der Rückstreuelektronen bestimmt werden.

Abbildung 1(a) zeigt die rekonstruierten 3D-Bilder einer spitz zulaufenden Tastspitze und einer schneidenartigen Tastspitze. Die entsprechenden Linienprofile der rekonstruierten Spitzen, die zur Bestimmung geometrischer 2D-Parameter wie Öffnungswinkel und Durchmesser genutzt werden können sind in Abbildung 1(b) dargestellt.

Im Vergleich mit anderen verfügbaren Methoden zur Spitzencharakterisierung, einschließlich der Verwendung des im FB 5.1 entwickelten Tastspitzenprüfnormals [1], stellt die 3D-Elektronen-mikroskopie jetzt schon eine neue, besonders schnelle Möglichkeit dar, eine vollständige 3D-Rekonstruktion des vorderen Bereichs von Tastspitzen zur qualitativen Bewertung zu erstellen. Jedoch kommt es insbesondere bei steilen Flanken über 50 °, wie wir sie auch bei den Tastern finden, zu Abschattungseffekten und der Skalierungsfaktor für die z-Achse ist systematisch zu klein. Um dieses Verhalten und die Grenzen des Verfahrens besser zu verstehen, werden derzeit Messungen an sehr präzise gefertigten Wolfram-Carbid-Mikrokugeln durchgeführt. Da Kugeln den vollständigen Winkelbereich abdecken, kann so das Rekonstruktions¬verhalten und die 3D-Darstellung von steilen Strukturen untersucht werden. Dies soll ermöglichen, nicht nur 3D-Rekonstruktionen von Silizium-Mikrotastern direkt für die Entfaltung flächenhafter taktiler Messungen zu nutzen, sondern auch die Darstellung von unbekannten Proben besser interpretieren zu können.


Abb. 1(a) 3D-Rekonstruktionen zweier unterschiedlicher Silizium-Tastspitzen, zu sehen sind die letzten 20 µm der bis zu 100 µm hohen Tastspitzen. In (b) sind die z-Profile eines mittig durch die Taster laufenden 2D Schnitts dargestellt.


Literatur
[1] U. Brand et al., “Long Slender Piezo-Resistive Silicon Microprobes for Fast Measurements of Roughness and Mechanical Properties inside Micro-Holes with Diameters below 100 µm,” Sensors, vol. 19, no. 6, 2019, doi: 10.3390/s19061410.

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