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UHV-STM zur Charakterisierung von Präzisionsnormalen für den Nanometerbereich

16.12.2019

Rastertunnelmikroskope sind in der Lage, Oberflächen mit atomarer Auflösung abzubilden. Allerdings muss das STM dazu im Ultrahochvakuum betrieben werden, um eine Kontamination der Oberfläche zu vermeiden. Dies stellt eine besondere Herausforderung bei der interferometrischen Rückführung der Positionsmessungen dieser Geräte dar. Ziel eines PTB-internen Projektes war daher, ein vorhandenes STM (Fa. Omikron, Typ STM-1) so zu erweitern, dass eine rückgeführte Positionsmessung mit einer Unsicherheit von 10 pm in x-,y- und z-Richtung erreicht wird. Aufgrund des spezifischen Aufbaus der Scannereinheit ist zusätzlich eine sogenannte Abbe-Korrektur erforderlich, d.h. neben den translatorischen müssen auch die rotatorischen Freiheitsgrade durch Laserinterferometer erfasst werden. In der Summe gilt es damit 24 Interferometer so in das bestehende STM zu integrieren, dass sowohl die räumlichen als auch die Gewichtsgrenzen eingehalten werden.

Ausgehend von der angestrebten Genauigkeit der Längenmessung von 10 pm müssen die optischen Komponenten des Interferometers eine Maßhaltigkeit von wenigen Mikrometern erreichen. Zunächst wurde daher das vorhandene STM mit einem optischen 3D-Scan erfasst, um das optimale Zusammenspiel von bestehendem STM und neu zu konstruierendem Interferometer zu gewährleisten. Aus der dabei erzeugten Wolke aus Datenpunkten wurde nachfolgend ein virtuelles CAD-Modell des Systems erzeugt und anhand von mehreren konventionellen Referenzmessungen die Genauigkeit der erfassten Daten verifiziert.

Eine weitere Herausforderung für die Konstruktion ergab sich durch die Anforderung, dass alle zusätzlich in die Vakuumkammer eingebrachten Materialien für die erforderlichen Drücke von bis zu 10-11 mbar geeignet sein müssen. Sie dürfen weder ihre Eigenschaften verändern, noch andere Bauteile durch Ausgasen flüchtiger Substanzen kontaminieren und damit den Kammerdruck erhöhen. Da zum Erreichen des UHV-Bereichs ein Ausheizen der Anlage bei Temperaturen von 120°C und mehr notwendig ist, müssen alle Komponenten entsprechend ausgewählt, selektiert und ggf. geprüft werden (z.B. Lichtwellenleiter). Auch müssen die Halter der optischen Bauteile so konstruiert sein, dass ihre Justage beim Ausheizen der Anlage erhalten bleibt.

Die wesentlichen optischen Komponenten wurden von externen Anbietern entsprechend den Vorgaben der PTB hergestellt und mit den jeweiligen Beschichtungen entsprechend der erforderlichen Funktion (Strahlteilung, Polarisierung, Reflektion) versehen.

Erste Tests des Aufbaus haben gezeigt, dass das Zusammenspiel aus bestehendem Instrument und neu konstruierten Komponenten hervorragend funktioniert und nur sehr wenige Nacharbeiten erforderlich waren. Der Zusammenbau konnte somit vollständig abgeschlossen werden und auch bei der Justage der Interferometer konnten sämtliche Strahlengänge wie geplant realisiert werden.

Der Zusammenbau des sehr komplexen Interferometers und die Integration in das STM sind nun abgeschlossen. Das Interferometriesystem mit seinen diversen Komponenten arbeitet fehlerfrei. Bei ersten Tests mit manueller Verschiebung des Scanners entlang der drei Bewegungsachsen zeigten alle Interferometerkanäle eine zufriedenstellende Signalqualität.

Momentan laufen Vorbereitungen für den ersten Test an Luft, bei dem das Zusammenspiel des Interferometriesystems, der zugehörigen Auslese- und Auswerteelektronik und der Systemelektronik des STMs getestet wird. Danach ist dann der Transfer des metrologischen STMs ins UHV geplant. Ziel ist die rückgeführte Messung der 7x7 Oberflächenrekonstruktion der Silizium (111)-Oberfläche. Durch die Rückführung dieser Messung mit Hilfe der Laserinterferometer könnte dann zukünftig die 7x7 Einheitszelle für die direkte Rückführung von STM genutzt werden.



Abb. 1: STM (unten) mit interferometrischem Messsystem und den entsprechenden optischen Komponenten (Mitte und oben).