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Fertigungskette von Si-Kugeln und interferometrische Bestimmung des Kugelvolumens

Inbetriebnahme eines hochauflösenden Rasterelektronenmikroskops für metrologische Anwendungen

20.12.2018

Im Reinraumzentrum der PTB wurde ein neues, hochauflösendes Rasterelektronenmikroskop in Betrieb genommen. Es wird drei bisherige Systeme ablösen, die aufgrund ihrer langen Einsatzdauer nicht mehr zukunftssicher betrieben werden können. Bei dem neuen System handelt es sich um ein „Verios G4“ der Firma FEI (mittlerweile Thermo Scientific). Als Vertreter der neusten Gerätegeneration verfügt das REM über eine „Elstar“-Elektronensäule mit Schottky-Feldemitter, der Strahlströme zwischen 0,8 pA und 100 nA bei Beschleunigungsspannungen zwischen 350 V und 30 kV erlaubt. Die Auflösung im Transmissionsmodus bei 30 kV ist mit 0,6 nm spezifiziert.



Abbildung 1: Foto des neuen Rasterelektronenmikroskops im Reinraumzentrum

Das Rasterelektronenmikroskop ist mit mehreren Detektoren ausgestattet, die unterschiedliche Abbildungsmodi und Untersuchungsverfahren erlauben. Niederenergetische Sekundärelektronen (SE), die aus der Probe austreten, können mit einem „klassischen“, seitlich angeordneten Everhard-Thornley-Detektor (ETD) registriert werden, oder aber auch mit einem Through-the-lens-Detektor (TLD), der höhere Auflösungen sowie eine symmetrische Abbildung ermöglicht und unter anderem zur Messung von Strukturbreiten eingesetzt wird. Zur Detektion hochenergetischer, rückgestrahlter Elektronen (BSE) steht ein 4-Quadranten-Detektor der Firma Point Electronic zur Verfügung. Die Bilder der vier Quadranten können dazu genutzt werden, um mittels „shade-from shading“-Algorithmen auf die dreidimensionale Geometrie der untersuchen Probe zu schließen. Der Transmissionsdetektor registriert die durch eine dünne Probe hindurchtretenden Elektronen in Abhängigkeit ihres Streuwinkels. Insgesamt 11 Detektorsegmente ermöglichen Hellfeld-, Dunkelfeld- und Weitwinkel-Dunkelfeld-Aufnahmen. Des Weiteren steht ein EDX-Detektor für die energiedispersive Röntgenspektroskopie zur Verfügung, um die chemische Zusammensetzung der Probe zu untersuchen, beispielsweise von aus verschiedenen Materialien hergestellten Schichtsystemen.

Durch die Auswahl verschiedener Detektoren steht für nahezu jede Fragestellung eine passende Detektionsmöglichkeit zur Verfügung. Im Vordergrund stehen dabei Messaufgaben aus dem Feld der dimensionellen Nanometrologie. Zwei von ihnen werden auf den folgenden Bildern kurz erläutert.


      

Abb. 2: Das neue Mikroskop dient unter anderem der rückgeführten Messung der Größenverteilung von Nanopartikeln. Als Beispiel ist ein Ruß-Partikel zu sehen, das bei 30 kV Beschleunigungsspannung zeitgleich mittels „Through-the-lens“-Detektor (links) und im Hellfeld des Transmissionsdetektors (rechts) abgebildet wurde. Diese sogenannte „korrelative Mikroskopie“ liefert komplementäre Informationen, die für genauere Messungen genutzt werden können. (Bilder: W. Häßler-Grohne)



      

Abb. 3: Aus den vier Bildern der verschiedenen Quadranten des BSE-Detektors (links ein Bsp.) kann die dreidimensionale Form der Messobjekte rekonstruiert werden (rechts). Bestimmt man so die Form einer Tastspitze für Rauheitsmessungen, kann die Qualität der Rauheitsmessungen nachträglich verbessert werden, indem die nun bekannte 3D Form der Tastspitze aus den Messprofilen herausgerechnet wird. (Bilder: T. Ahbe, J. Langfahl-Klabes)

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