SUCCESS STORY – Hochgenaue und rückverfolgbare AFM-Messungen an
Halbleitern und Stufennormalen-- Gernot Hamann --Hochgenaue und rückverfolgbare AFM-Messungen an
Halbleitern und Stufennormalen
Positionieren im Sub-Nanometer-Bereich

Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG, Auf der Römerstr. 1, 76228 Karlsruhe, Deutschland
Tel. +49 721 4846-0, Fax +49 721 4846-1019, E-Mail info@pi.de, www.pi.de

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SUCCESS STORY – Hochgenaue und rückverfolgbare AFM-Messungen an
Halbleitern und Stufennormalen-- Gernot Hamann --DieRasterkraftmikroskopie(AFM)
ermöglicht
Oberflächenmessungen höchster Auflösung bis auf atomare
Level und dringt damit in Bereiche vor, die sich mit
Lichtmikroskopie nicht mehr auflösen lassen. Das Verfahren
arbeitet berührungslos, gemessen werden Kräfte zwischen
einer sehr dünnen Messspitze und der Objektoberfläche, diedann Aufschluss über die Topografie, die chemische
Oberflächenbeschaffenheit, Defekte etc. geben können.
Anwendungen für diese Methode finden sich sowohl in derForschung als auch in der Produktion. Zu den typischen
Einsatzbereichen gehören z. B. Life Science Technologien
ebensowie
dieMaterialforschungoder
dieHalbleiterinspektion. Präzision bei der Positionierung vonMessspitze und Probe sind hier obligatorisch, da nur so einehohe Ortsauflösung erreicht werden kann. Piezobasierte
Positioniersysteme sind für diese Scan-Anwendung gutgeeignet, da sie nicht nur mit Auflösungen im
Subnanometerbereich arbeiten, sondern auch eine hohe
Dynamik bieten.

Abb. 1CAD Zeichnung des hochauflösenden Mess-AFM mit 6-AchsenPiezotisch von PI (Bild: PTB)Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) entwickelt
zurzeit ein „Low Noise metrological AFM“, mit dem die
Rasterkraftmikroskopie noch einmal in neue Dimensionen
vorstoßen wird (Abb. 1).

Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG, Auf der Römerstr. 1, 76228 Karlsruhe, Deutschland
Tel. +49 721 4846-0, Fax +49 721 4846-1019, E-Mail info@pi.de, www.pi.deSo sollen mit dem neuen System rückführbare Messungenvon Stufennormalen durchgeführt werden, die zur Einstellung
von anderen AFMs verwendet werden. Auch quantitative
Untersuchungen an Halbleiterproben zur Bestimmung vonCritical Dimensions, d. h. kleinster noch abbildbarer
Strukturen, sollen mit seiner Hilfe realisierbar sein. Dabeikommen je nach Anwendung zwei Messverfahren zum
Einsatz: der Flächenscan und die sogenannte „Single Point
Probing“ Methode.

Zwei Messverfahren: Flächenscan
oder Single Point Probing
Beim Flächenscan wird die AFM-Spitze (das an der Spitze
atomar dünne Tip) mit konstanter Frequenz und Amplitude
zur Schwingung angeregt und auf Arbeitsabstand an dieProbe heran gefahren. Die Probe wird unter dem Tip bewegt.
Ändert sich während des Scans der Abstand, verschieben sichauch Frequenz und Amplitude der Tip-Schwingung. DiePosition der Probe wird in Richtung der z-Achse sonachgeregelt, dass die Schwingung konstant bleibt. Damit
liefert dann die Variation der z-Position zusammen mit den
für die Ortsauflösung relevanten x- und y-Koordinaten die
Topografie-Informationen für die Probenoberfläche.
Da dieser Flächenscan selbst bei höchster Präzision bei steilen
Strukturen nur sehr wenig Informationen über den
Kantenbereich liefert, kommt mit der „Single Point Probing“
Methode ein weiteres Messverfahren zum Einsatz: Um eine
Stufe exakt zu messen, fährt die Positioniereinrichtung
langsam eine bereits entdeckte Stufe an den Tip heran (Abb.
2). Bewegungsrichtung ist dabei die Normale zur Oberfläche
der Stufe, d. h. man benötigt drei aktive Achsen für die
Probenverstellung.
Aufgenommen wird dabei die „Kraftkennlinie“, die sich ausder Änderung von Frequenz, Amplitude und Phase der TipSchwingung an der jeweiligen Stelle der Stufe ermitteln lässt.
Die Messung wird an weiteren Punkten wiederholt, sooft bis
die ganze Stufe gemessen ist.

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SUCCESS STORY – Hochgenaue und rückverfolgbare AFM-Messungen an
Halbleitern und Stufennormalen-- Gernot Hamann --Da das sechsachsige Positioniersystem zudem kompakte
Abmessungen hat, lässt es sich auch gut im AFM integrieren
und sorgt zum einen für die exakte Positionierung der Probeim Messbereich sowohl in x- und y- als auch in z-Richtung.
Zum anderen dienen die drei rotatorischen Achsen zur
Kompensation parasitärer Winkelfehler. Unterstützt wird die
große Positioniergenauigkeit außerdem durch die hohe
Resonanzfrequenz des Gesamtsystems von über 1,4 kHz (bei300 g Last), was die Messung gut von externen, akustischen
Störungen entkoppelt.
Abb. 2Die „Single Point Probing“ Methode: Bewegung einer
Stufenstruktur der Probe gegenüber der AFM-Spitze (a), undaufgenommene Kraft-Weg-Kennlinie an einem Punkt der Stufe(b) (Bild: PTB)

Dieses Messverfahren arbeitet zwar relativ langsam, liefert
jedoch sehr genaue Informationen über topografisch steile
Bereiche. Es eignet sich beispielsweise auch für quantitative
Messungen an Halbleiterstrukturen mit sehr geringen
Abmessungen von 10 bis 20 nm.
An das für den Proben-Scan eingesetzte Positioniersystemstellen beide Messverfahren extrem hohe Anforderungen, vor
allem was die Auflösung betrifft. Sie muss im Sub-NanometerBereich liegen, da das beim Scannen eingesetzte
Positioniersystem die Ortsauflösung liefert. Gleichzeitig sinddie Anforderungen an die Dynamik hoch, denn je schneller
der Scan in z-Richtung verfährt, desto schneller ist auch diePositionierung in x- und y-Achse möglich. Das verkürzt nicht
nur die Messdauer, sondern reduziert auch die Drift, die sichzeitabhängig vergrößert. Die hohe Dynamik kommt damit
auch der Genauigkeit zugute.

Parallelkinematik
Bei der Positionierung entschied sich die PTB aus diesen
Gründen für ein piezobasiertes Nanopositioniersystem (Abb.
3). Das parallelkinematische System von PI ist ausgelegt fürVerfahrwege von 12 µm in drei linearen Achsen, ermöglichteine Positionierung besser als 0,1 nm und bietet damit fürden Einsatz im neuen AFM beste Voraussetzungen.
Dabei spielt nicht nur die Reproduzierbarkeit eine Rolle,sondern vor allem auch die absolute Genauigkeit, da mit dem
AFM quantitative Messungen durchgeführt werden sollen.
Diese sehr hohe Bewegungsauflösung ist nur möglich, weil es
bei der Bewegung der Piezoantriebe keine klassischen
mechanischen Komponenten gibt, die Reibung odermechanisches Spiel besitzen.

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Abb. 3

Sechsachsiges, piezobasiertes Positioniersystem für die Probe(Bild: PI)

Sensorik
Die PTB setzt bei dem neuen Rasterkraftmikroskop externe
differentielle Interferometer ein, um extrem hochaufgelöst
die Bewegungen zwischen dem AFM-Antastsystem und derProbe auf dem sechsachsigen Positioniersystem direkt in allensechs Freiheitsgraden bestimmen zu können.
Damit spielen auch zwischen der bewegten Plattform desPiezotisches und der Probe auftretende Störungen wie Driftoder elastische Verspannungen keine Rolle mehr, da sie vom
Interferometer direkt gemessen werden, was sich ebenfalls
positiv auf die Linearität der AFM-Messung auswirkt. Darüber
hinaus liefern die Interferometer Messsignale höchster
Auflösung [10 pm] und Linearität bei sehr hoher dynamischerBandbreite.
Die Ìnterferometersignale werden über einen seriellen
Datenstrom an den von PI stammenden Digital-Controller
vom Typ E-712 übertragen. Dieser Controller lässt sichperfekt auf das Positioniersystem abstimmen und enthält
eine komplexe Fehlerkompensation des sechsachsigen
Systems. Der Controller bietet fein abgestimmte
Linearisierungsalgorithmen für extrem gleichmäßigen Laufund erlaubt schnelle Vorschubbewegungen mit maximaler
Kraft.

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SUCCESS STORY – Hochgenaue und rückverfolgbare AFM-Messungen an
Halbleitern und Stufennormalen-- Gernot Hamann --Der gemeinsame Einsatz von Parallelkinematik undinterferometrischer Messung aller sechs Freiheitsgrade
ermöglicht eine Korrektur von ungewolltem Übersprechender Bewegung (z. B. durch externe Krafteinwirkung) in eine
andere Achse, die über entsprechende Algorithmen imController in Echtzeit aktiv ausgeführt wird.
Vor allem die direkte Positionsmessung an der Position desAFM-Antastsystems ist mit den kapazitiven Sensoren, die im
Tisch integriert sind, nicht möglich. Diese sind aber für die
Initialisierung vor Beginn der Messung wichtig:
Bei der Initialisierung werden zunächst die absolut
messenden internen kapazitiven Sensoren des Piezotischesverwendet, um eine definierte Startposition anzufahren.
Dann wird der Regelkreis des Piezotisches über die externenInterferometer geschlossen. Diese sind rückführbar auf PTBStandards, aber messen nur Bewegungen und keine
absoluten Positionen.
Auch das Umschalten zwischen interner (kapazitiver) undexterner (interferometrischer) Istwert-Erfassung ist mit dem
Digital-Controller E-712 (Abb. 4) möglich. Auf diese Weise
lässt
sich
eine
hochpräzise
Messung
derOberflächentopographie realisieren.

Bei der PTB ist man von der gewählten Lösung überzeugt undzurzeit wird das neue AFM aufgebaut. Dabei konnte man sichauch beim Antrieb für die „Grob“-Annäherung der Messspitze
an die Probe von den Vorteilen piezobasierter
Antriebslösungen überzeugen. Treibende Kraft ist hier ein®
sogenannter Schreitantrieb. Diese NEXLINE Antriebe
erzeugen den Vortrieb durch die Kombination von Längs- undScherpiezos, also Piezoaktoren mit unterschiedlichen
Bewegungseigenschaften. Entsprechend angesteuert sind
damit dann sowohl Klemm- als auch Schubbewegungenrealisierbar, die an den Gang eines Vierfüßlers erinnern.
Dieser Antrieb wird genutzt, um vor Beginn der Messung dieAFM-Spitze auf Arbeitsabstand an die Probe heranzufahren.
Damit kann die AFM-Spitze über den gesamten Weg vonmehreren Millimetern mit Nanometer-Genauigkeit verfahren
werden. Nach der Annäherung muss der Antrieb sehr stabil
stehen,um
keine
zusätzlichen
höherfrequenten
Schwingungen zwischen dem Kopf und dem SechsachsPositioniersystem zu erzeugen, die vom Positioniersystem
nicht mehr vollständig ausgeregelt werden können.

Über die PTB
Die
Physikalisch-TechnischeBundesanstalt(PTB),Braunschweig und Berlin, ist das nationale Metrologie-Institut
mit wissenschaftlich-technischen Dienstleistungsaufgaben.
Sie betreibt Grundlagenforschung und Entwicklung in derMetrologie als Basis für alle ihre Aufgaben in den Bereichen
Bestimmung von Fundamental- und Naturkonstanten,Darstellung, Bewahrung und Weitergabe der gesetzlichen
Einheiten des SI, Sicherheitstechnik, Dienstleistung undMesstechnik für den gesetzlich geregelten Bereich und die
Industrie sowie für den Technologie-Transfer.

Abb. 4

Digitaler Piezocontroller für mehrere Achsen. Auch dasUmschalten zwischen interner (kapazitiver) und externer(interferometrischer) Istwert-Erfassung ist möglich (Bild: PI)

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Die eigene Grundlagenforschung unter Anwendung neuester
Technologien versetzt die PTB langfristig in die Lage, dieweltweit anerkannte Kompetenz in der Metrologie zu sichernund auszubauen. Sie ist durch Kooperationen mit
Universitäten, anderen Forschungseinrichtungen und derIndustrie in die deutsche Forschungslandschaft eingebunden.
Mit ihren internationalen Projektpartnern sichert die PTB
langfristig die Vergleichbarkeit und Zuverlässigkeit vonMessergebnissen überall auf der Welt.

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SUCCESS STORY – Hochgenaue und rückverfolgbare AFM-Messungen anHalbleitern und Stufennormalen-- Gernot Hamann --Über PIIn den letzten vier Jahrzehnten hat sich Physik Instrumente(PI) mit Stammsitz in Karlsruhe zum führenden Hersteller vonPositioniersystemen mit Genauigkeiten im Nanometerbereich
entwickelt. Das privat geführte Unternehmen ist mit vier
Sitzen in Deutschland und fünfzehn ausländischen Vertriebsund Serviceniederlassungen international vertreten.
Über 850 hochqualifizierte Mitarbeiter rund um die Weltversetzen die PI Gruppe in die Lage, fast jede Anforderung aus
dem Bereich innovativer Präzisionspositioniertechnik zuerfüllen. Alle Schlüsseltechnologien werden im eigenen Haus
entwickelt. Dadurch kann jede Phase vom Design bis hin zur
Auslieferung kontrolliert werden: die Präzisionsmechanik undElektronik ebenso wie die Positionssensorik.
Die dafür benötigten piezokeramischen Elemente werden bei
der Tochterfirma PI Ceramic in Lederhose gefertigt, einem derweltweit führenden Unternehmen auf dem Gebiet
aktorischer und sensorischer Piezoprodukte.
Die PI miCos GmbH in Eschbach bei Freiburg ist spezialisiert
auf flexible Positioniersysteme für UltrahochvakuumAnwendungen sowie parallelkinematische Positioniersysteme
mit sechs Freiheitsgraden und Sonderanfertigungen.

Autor

Dipl.-Physiker Gernot Hamann, Leiter
Management bei Physik Instrumente (PI)Key

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