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Dokumentenidentifikation DE10107796A1 11.07.2002
Titel Massverkörperungen und Kalibriernormale zur Erfassung lateraler Abmessungen an nanoskaligen Objekten für Mikroskopie und Längenmessung
Anmelder Institut für Physikalische Hochtechnologie e.V., 07745 Jena, DE
Vertreter R.-G. Pfeiffer und Kollegen, 07745 Jena
DE-Anmeldedatum 15.02.2001
DE-Aktenzeichen 10107796
Offenlegungstag 11.07.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 11.07.2002
IPC-Hauptklasse G12B 21/00
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft Maßverkörperungen und Kalibriernormale zur Erfassung lateraler Abmessungen an nanoskaligen Objekten für Mikroskopie und Längenmessung, die auf einer Trägerfläche mit mindestens einer Messstruktur versehen sind. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, Maßverkörperungen und Kalibriernormale mit direktem Maßanschluss mit und ohne metrologische Zertifizierung, bspw. zur Tastspitzenabformung sowie als Vergleichsobjekte für optische Mess- und Inspektionsmethoden, insbesondere zur Breitenmessung, zu schaffen, die eine exakte Bestimmung lateraler Abmessungen im Nanometerbereich ermöglichen. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Messstruktur als Einzelstruktur mit hinsichtlich ihrer Lage und ihrer Konfiguration definierten gegenüberliegenden Begrenzungskanten ausgebildet ist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft Maßverkörperungen und Kalibriernormale zur Erfassung lateraler Abmessungen an nanoskaligen Objekten für Mikroskopie und Längenmessung gemäß der Gattung der Patentansprüche. Ihre Anwendung erstreckt sich auf die Rastersondenmikroskopie, die Profilometrie, die UV-Mikroskopie sowie die licht- und elektronenoptische Vermessung bzw. Inspektion und die optischen Nahfeldmikroskopie (SNOM).

Die derzeit bekannten Maßverkörperungen und Kalibriernormale werden vornehmlich mittels Si-Ätztechnologie realisiert.

Die am weitesten entwickelten Kalibriernormale für die Abformung von Tastspitzen stellen z. Z. die Flared Silicon Ridges, siehe Druckschrift CS FR 2.94-100, der Firma IBM dar. An diesen durchgeführte Breitenmessungen ergaben gegenüber dem mittleren Breitenwert einer Messspur Breitenabweichungen von der mittleren Stegbreite von bis zu 0,1 µm. Auf Grund ihrer zu großen Breitenschwankungen (±100 nm) sind diese Normale nicht geeignet, die künftigen Anforderungen an Messverfahren und Methoden zu erfüllen, die die Nanotechnologie zur Erfassung lateraler Abmessungen benötigt.

Von dem russischen Hersteller NT-MDT, siehe Druckschrift "Molecular Devices and Tools for Nano Technology", gibt es ein Kalibriernormal, das aus einem Spitzenarray besteht. Durch Abtasten dieses Normals läßt sich theoretisch die Geometrie der Tastspitze mit einer Auflösung bestimmen, die den Radien der Kalibrierspitzen entspricht. Bei dieser Anordnung ist jedoch nicht geklärt, ob damit Tastspitzen erfolgreich kalibriert werden können, da das Abtasten einer extrem scharfen Spitze mit einem Spitzenarray problematisch ist. Außerdem stellt sich die Frage nach der Haltbarkeit eines solchen Normals. Kantenhinterschnittene Kalibriernormale dürften deutlich besser abschneiden als die Spitzenarrays.

Die o. g. Normale Flared Silico Ridges von IBM und das Spitzenarray gewährleisten nicht die Wiederauffindbarkeit ein- und derselben Messstelle. Auch ist die Eliminierung von Artefakten schwierig. Standards zur Höhenmessung und Ermittlung von Periodizitätsmaßen werden von den Firmen NanoSensors (Druckschrift 2d 200/ Aug.-99), IBSEN (Veröffentlichung "MICRO-AND-NANO-ENGINEERING 97", MTP-3), VLSI (s. o.) und NT-MDT (s. o.) angeboten, bergen jedoch erhebliche Messungenauigkeiten bezüglich der Einzelmaße in sich. Aus den Abweichungen der Messwerte von der bekannten standardisierten Oberflächenform lassen sich mit Hilfe aufwendiger Auswerteprogramme Rückschlüsse auf das Tastspitzenprofil ziehen. Der wesentliche Nachteil dieser Methode besteht darin, dass bei einem solchen Messprozeß die nichtlineare Wechselwirkung von Tastspitze und standardisierter Oberfläche nicht entkoppelt werden kann sowie die Veränderung dieser Referenzoberfläche nicht mit einbezogen ist. Weiterhin existieren Normale für die laterale Kalibrierung von Rastersondenmikroskopen, die jedoch nicht zur Nadelabformung eingesetzt werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, Maßverkörperungen und Kalibriernormale mit direktem Maßanschluss mit und ohne metrologische Zertifizierung, bspw. zur Tastspitzenabformung sowie als Vergleichsobjekte für optische Mess- und Inspektionsmethoden, insbesondere zur Einzelbreitenmessung, zu schaffen, die eine exakte Bestimmung lateraler Abmessungen im Nanometerbereich ermöglichen.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch das kennzeichnende Merkmal des ersten Patentanspruchs gelöst. Die Erfindung geht also davon aus, dass zunächst die lateralen Abmessungen einer oder weniger Einzelstrukturen insbesondere durch Mehrfachmessung exakt bestimmt und somit Maßverkörperungen und Kalibriernormale zur Erfassung lateraler Abmessungen an nanoskaligen Objekten geschaffen werden, die nicht aus einer Anzahl von Perioden abgeleitet worden sind. Die Herstellung der dazu erforderlichen scharfkantigen Einzelstrukturen erfolgt vorteilhaft unter Anwendung von Mikrostrukturierungsverfahren, wie Fotolithografie, Elektronenstrahllithografie, Trocken- oder Nassätzverfahren sowie Schichtabscheidung. Dadurch entstehen Maßverkörperungen zur Kalibrierung von Längenmessungen und zur Bestimmung des lateralen Auflösungsvermögens im Nonometerbereich. Die jeweilige, der eigentlichen Messung dienende Einzelstruktur besteht aus einem anderen Material als ihre Umgebung. Bei Verwendung von optischen Tastern kann sie mit ihrer Umgebung in einer Höhe bzw. Ebene liegen. Bei der Kalibrierung von mechanischen Tastern hebt sich die Einzelstruktur von der Trägerfläche nach oben oder nach unten ab und weist dann Flanken oder Seitenflächen auf. Vorteilhaft haben die als Kalibriernormale dienenden Einzelstrukturen Kanten, deren. Rundungen zu den Seitenflächen durch Radien gekennzeichnet sind, die im atomaren Bereich liegen, z. B. bei Einkristallen. Die Flanken der Einzelstrukturen sind günstigerweise ebenflächig oder gekrümmtflächig hinterschnitten, so dass insbesondere bei der Kalibrierung von mechanischen Tastern und Messgeräten eine eindeutige Anlage des Tasters an den Kanten des Normals möglich ist. Die gegenüberliegenden Kanten einer steg- oder strichförmigen Einzelstruktur weisen einen definierten Abstand auf und sind im Bereich der Nanometerskala metrologisch exakt kalibriert. Die Kalibrierung kann mittels unterschiedlicher Methoden (elektronen- bzw. lichtoptisch) erfolgen. Hierzu sind im allgemeinen Mehrfachmessungen erforderlich. Die Einzelstrukturen können auch winkelförmig, kreisförmige, elliptische oder polygone Kanten parallel zur Trägerfläche haben und so die zweidimensionale oder dreidimensionale Charakterisierung ermöglichen. Jede Maßverkörperung kann auf ihrer Trägerfläche eine oder mehrere Formen von Einzelstrukturen und/oder jede Einzelstruktur mehrfach enthalten. Eine Such- bzw. Findestruktur zum reproduzierbaren Auffinden ein und derselben Messstelle ist vorteilhaft, um eine weitgehend vollständige Beseitigung von Messunsicherheiten zu gewährleisten.

Die Einzelstrukturen der Maßverkörperungen erlauben eine metrologische Kalibrierung von Messgeräten im Mikro- und Nanometerbereich, die auf Rastersondenverfahren, lichtoptischen (insbesondere UV-Bereich) und elektronenoptischen Methoden basieren.

Im Bereich der Rastersondenverfahren ist hierbei insbesondere die Möglichkeit zur Charakterisierung der exakten Tastspitzenform sowohl im Mikrometer- als auch Nanometerbereich hervorzuheben, wodurch erstmals die Eliminierung von Messfehlern, die durch die Faltung aus Proben- und Tastspitzengeometrie entstehen, ermöglicht wird und von der jeweiligen Probe unabhängige Kennwerte zum Auflösungsvermögen des verwendeten Messsystems ermittelt werden können.

Die Oberflächen der Maßverkörperungen können Oberflächentopografien in Form von Linienmustern (line-space), Lochstrukturen sowie kantenhinterschnittenen Schäfte (gedrehte Pyramiden- und Kegelstümpfe) aufweisen.

Weiterhin können als ebene Maßverkörperungen, sowohl optische Übergänge als auch Materialübergänge im Bereich « 100 nm für die Licht-, Elektronen- und Nahfeldmikroskopie dienen.

Die Materialien aus denen die Maßverkörperungen gefertigt werden, sind Massivmaterialien (z. B. Silizium) bzw. Dielektrika (z. B. SiO2) wie auch Einzelschichten und Schichtsysteme unterschiedlichster Art. Die Maßverkörperungen können komplett oder im Detail mittels metallischen oder dielektischen Dünnschichtsystemen und deren Kombination beschichtet sein.

Die maßgebenden Strukturen können auf Einzelträgern zur Verfügung stehen. Normalstrukturen als Referenz auf Trägern jeglicher Art sind dabei eingeschlossen. Ebenso ist es möglich, Kalibrierstrukturen in-situ mit dem Herstellungsvorgang der Träger zu fertigen.

Die erfindungsgemäßen Maßverkörperungen und Kalibriernormale ermöglichen eine metrologisch genaue Bestimmung der Tastspitzenform von Rastersonden. Sie gewährleisten eine metrologisch exakte in-situ Charakterisierung der verwendeten Tastspitze, so dass Messunsicherheiten eliminiert und der Messfehler angegeben werden kann. Ein weiterer Vorteil der neuen Normale liegt in der Zugänglichkeit von beliebigen Aspektverhältnissen der zu charakterisierenden Tastspitzen. Beim Spitzenarray entspricht der maximal abbildbare Flankenwinkel dem der Kalibrierspitzen. Hingegen können bei kantenhinterschnittenen Normalen alle Winkel und insbesondere auch senkrechte Kanten dargestellt werden. Durch die direkte Bestimmung der Nadelform mittels Einzelstruktur (Abtastnormal) ergibt sich eine ideale Methode zur genauen dreidimensionalen Charakterisierung von Nanometerstrukturen, die zuverlässig, direkt maßgebend und standardisierbar ist.

Die erfindungsgemäßen Maßverkörperungen und Kalibriernormale eignen sich weiterhin zur Qualifizierung lichtoptischer Methoden im sichtbaren und UV-Bereich (z. B. konfokale Mikroskopie), besonders im Wellenlängenbereich um 248 nm. Da Silizium dort ein Reflexionsgradmaximum von größer 70% aufweist, wird eine Antireflexschicht bzw. ein Antireflexschichtsystem für entsprechende Reflexminderungen im Untergrund der Strukturen um mindestens den Faktor Zwei sorgen und damit eine Kontrastverstäkung der zur Messung bzw. Kalibrierung benutzten Einzelstrutur zum Untergrund erzeugen. Topografiefreie Maßverkörperungen bieten den entscheidenden Vorteil, dass auf Grund ihrer Lage in einer Ebene Messunsicherheiten durch Beugungen und Durchstrahlungen und damit durch Verfälschungen von Kantenkontrasten minimiert werden können.

Die erfindungsgemäßen Maßverkörperungen eignen sich wegen ihrer besonderen Form auch zum Einsatz bei elektronenoptischen Methoden, unter anderem im Niederspannungsbereich >= 1 KV.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der schematischen Zeichnung dreier Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Maßverkörperung mit abgehobenen Einzelstrukturen im Aufriss,

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Maßverkörperung mit ebener Oberfläche im Aufriss und

Fig. 3 die Anordnung einer Findestruktur.

In Fig. 1 ist eine Maßverkörperung 10 auf einer Trägerfläche 11 eines Chips 12 mit einer sich periodisch einige Male wiederholenden Einzelstruktur 13 versehen. Zu jeder Periode p gehört eine Einzelstruktur 13 und eine Ausnehmung 14, deren Flanken oder Seitenflächen 15, 16 gekrümmt hinterschnitten sind. Einzelstruktur 13 und Ausnehmung 14 bestehen aus verschiedenen Materialien, z. B. aus Silizium und Luft. Zwischen einer Oberfläche 17 der Einzelstrukturen 13 und ihren hinterschnittenen Flanken 15, 16 entstehen auf diese Weise scharfe, exakte Begrenzungskanten 18, 19, die eine punktförmige Berührung mit einem rotationssymmetrischen mechanischen Taster 20 und damit exakte Kalibrierungsergebnisse gewährleisten. Zur Kalibrierung wird der Taster 20 entweder an die Kanten 18, 19 derselben mit hoher Genauigkeit verifizierten Einzelstruktur 13 oder an die Kanten 18, 19 zweier durch eine Ausnehmung 14 getrennter Einzelstrukturen 13, die ebenfalls hochgenau bestimmt sind, in definierter Weise herangeführt. Die Scharfkantigkeit der Begrenzungskanten bzw. der zugehörige Krümmungsradius (in der Zeichenebene der Fig. 1) kann bspw. bei Einkristallen bis in den atomaren Bereich liegen. Es wird grundsätzlich nur eine Einzelstruktur 13 oder es werden nur wenige Einzelstrukturen 13 benutzt, deren (Breiten-) Abmessungen vorher genau bestimmt oder bekannt sind, wodurch die bei Benutzung von Details von Perioden p auftretenden beträchtlichen Fehler vermieden werden.

An die Stelle von gekrümmten Hinterschnitten können auch durch gerissene Linien 15', 16' angedeutete ebene Hinterschnitte an den Seitenflächen 15, 16 der Einzelstrukturen 13 vorgesehen sein. Wichtig ist, dass exakte Kanten 18, 19 bestehen und dass die Konfiguration der Hinterschneidungen mit den gewählten Tastern korrespondieren. Der Kegelwinkel des an einem Arm 21 befestigten mechanischen Tasters 20 kann je nach den sonstigen Gegebenheiten zwischen wenigen Grad und etwa 60° schwanken. Da die Breiten der Einzelstrukturen 13 im Nanometer- bis Mikrometerbereich liegen, bewegen sich auch die sonstigen Abmessungen der Maßverkörperung 10 kaum über den Mikrometer- bzw. Millimeterbereich hinaus. Der mechanische Taster 20 ist über den Arm 21 mit einem nicht dargestellten Sensor verbunden, der der Ausmessung einer ebenfalls nicht dargestellten Mikrostruktur, die bspw. aus Leiterbahnen besteht, dienen kann. Anstatt des mechanischen können auch optisch Taster zur Anwendung kommen.

In Fig. 2 ist eine bspw. aus Quarz bestehende Maßverkörperung 22 (Chip) mit Ausnehmungen 23 versehen, die bis zu einer virtuellen Trägerfläche 24 hinabreichen und mit einem Dielektrikum, bspw. Ta2O5, ausgefüllt sind. Zwischen den Ausnehmungen 23 stehengebliebene Einzelstrukturen (Stege) 25 sind beidseitig mit im wesentlichen rechtwinklig zur Trägerfläche 24 und zu Oberflächen 26 der Einzelstrukturen 25 gerichteten Seitenflächen 27, 28 und an ihren Oberflächen 26 mit Dünnschichtsystemen 29 versehen, die die Reflexionsfähigkeit dieser in einer Ebene befindlichen Oberflächen 26 fördert. Durch das Aufeinandertreffen von Seitenflächen 28, 29 einerseits und Oberflächen 26 der Einzelstrukturen 25 entstehen an den Rändern der Oberflächen 26 bzw. Ausnehmungen 23 in der Ebene der Oberflächen 26 scharfe Kanten 30, 31, deren Abstand, zumindest in einem differenziellen Bereich, auf Nanometer genau bestimmt wird. Als Taster und zur Maßübertragung auf ein nicht dargetselltes Objekt kann ein nicht dargestellter optischer Taster in ähnlicher Anordnung wie der mechanische Taster der Fig. 1 dienen, wobei die Dünnschichtsysteme 29 einem exakten Erscheinen der Kanten 30, 31 förderlich sind. Auch in diesem Ausführungsbeispiel können die Seitenflächen 27, 28, wie durch grissene Linien 27', 28' angedeutet, ebenflächig oder gekrümmtflächig hinterschnitten sein.

In Fig. 3 ist eine Maßverkörperung 32 mit einer quadratischen Einzelstruktur 33 die an angenähert denselben, metrologisch exakt definierten Stellen S zum Kalibrieren oder Maßabgriff mit Hilfe von nicht dargestellten Tastern anzufahren ist. Dies wird gewährleistete durch mittels Pfeilen 34 angedeuteten Finde - oder Fangstrukturen, die einen von außen kommenden Taster zur Struktur 33 hinführen. Eine weitere Möglichkeit des Hinleitens der Taster bieten die durch trichterförmig angeordnete gerissene Geradenpaare 35 angedeuteten Findestrukturen.

Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein. Bezugszeichenliste 10, 22, 32 Maßverkörperungen

11, 24 Trägerflächen

12 Chip

13, 25, 33 Einzelstrukturen (Stege)

14, 23 Ausnehmungen

15, 16, 27, 28 Flanken, Seitenflächen

15', 16', 27', 28' gerissene Linien

17, 26 Oberflächen

18, 19, 30, 31 Begrenzungskanten

20 Taster

21 Arm

29 Dünnschichtsysteme

34 Pfeile

35 Geradenpaare

p Periode


Anspruch[de]
  1. 1. Maßverkörperungen und Kalibriernormale zur Erfassung lateraler Abmessungen an nanoskaligen Objekten für Mikroskopie und Längenmessung die auf einer Trägerfläche mit mindestens einer Messstruktur versehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Messstruktur als Einzelstruktur mit hinsichtlich ihrer Lage und ihrer Konfiguration definierten gegenüberliegenden Begrenzungskanten ausgebildet ist.
  2. 2. Maßverkörperungen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelstruktur hinsichtlich ihres Materials von ihrer Umgebung abgehoben ist.
  3. 3. Maßverkörperungen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelstruktur hinsichtlich ihrer Höhe über der Trägerfläche abgehoben ist.
  4. 4. Maßverkörperungen gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die die Begrenzungskanten beinhaltenden Seitenflächen der Einzelstruktur hinterschnitten sind.
  5. 5. Maßverkörperungen gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelstruktur als Steg, Winkel, Kreis, Ellipse, Vieleck oder ähnliches ausgebildet ist.
  6. 6. Maßverkörperungen gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedlich geformte Einzelstrukturen auf der Trägerfläche angeordnet sind.
  7. 7. Maßverkörperungen gemäß mindestens einen der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der einzelnen Messstruktur mindesten eine Findestruktur zugeordnet ist.






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