Titel:
Titel:
Entwicklung und Herstellung von 3D-Mikronormalen für die dimensionelle Messtechnik
Autoren:
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Hellmich, Celina, Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), Fachbereich 5.2, Dimensionelle Nanometrologie
Beitragende:
Beitragende:
HostingInstitution: Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), ISNI: 0000 0001 2186 1887
Seiten:
Seiten:
141
Sprachen:
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de
DOI:
DOI:
10.7795/110.20250731
Art der Ressource:
Art der Ressource:
PTB: Dissertation, DINI: DoctoralThesis, DataCite: Dissertation
Verlag:
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Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)
Dissertationsvermerk:
Dissertationsvermerk:
DoctoralThesis, Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig, Braunschweig
Rechte:
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Beziehungen:
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IsPartOf: ISSN 2941-1297
IsIdenticalTo: ISBN 978-3-944659-51-0
Datumsangaben:
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Verfügbar: 2025-08-19
Erstellt: 2025-08
Angenommen: 2025-07-11
Datei:
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SHA256 Prüfsumme: f1feffed0daa547813cb9de7c495e24225baeaa5567994b2b79e8eb16d345e92
Stichwörter:
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3D-Kalibrierung ; Mikrotechnik ; 3D-Mikronormal ; Metrologie ; Chip Prozessierung
Zusammenfassung:
Zusammenfassung:
Zur Kalibrierung von dimensionellen Messgeräten im Bereich von Nano- bis Mikrometer werden Höhenstufennormale und 1D- bzw. 2D-Gitterstrukturen verwendet. Mit diesen Normalen können die vertikale und die lateralen Achsen kalibriert und die Orthogonalität zwischen den lateralen Achsen bestimmt werden. Als Verbesserung können 3D-Normale genutzt werden, die die Eigenschaften von 1D- und 2D-Normalen vereinen und zudem die Orthogonalitätsfehler zwischen den lateralen und der vertikalen Achse bestimmbar machen. Die aktuellen 3D-Normale für Rasterkraftmikroskope und Rasterelektronenmikroskope werden mit Messfeldgrößen bis 90 x 90 μm2 in Einzelstückfertigung mit Ionenfeinstrahlanlagen aus Platin auf Silizium hergestellt und sind lateral nur wenig skalierbar. In dieser Arbeit werden daher neue reproduzierbare Herstellungsprozesse für die lateral skalierbare Fertigung von 3D-Mikronormalen, auf Basis von Silizium und Siliziumdioxid, zur Anwendung in der optischen Mikroskopie und in der Elektronenmikroskopie entwickelt. Durch unterschiedliche Anforderungen der Messmethoden sind zwei Prozessketten entstanden. 3D-Mikronormale für optische Mikroskope wurden als zweistufige Pyramiden mit Kantenlängen zwischen 5 μm – 240 μm und runden Referenzstrukturen mit Durchmessern von 300 nm – 10 μm gefertigt. Dafür wurde Siliziumdioxid auf einen Silizium-Wafer abgeschieden und mit Elektronenstrahllithographie und einem Trockenätzprozess strukturiert. Zur Optimierung der Oberflächen, wurden Ätzstoppschichten und Ätzmaskierungen aus Chrom und Aluminium verwendet. Die taktilen und optischen Stufenhöhenmessungen zeigen, dass die Strukturen über den ganzen Wafer hinweg die Anforderung, aus der DIN 32567-2 bzgl. der Konstanz der Schichthöhe und der Ebenheit der Schichten die <2 % der Höhenstufen sein soll, erfüllen. Auch die Rauheitsanalysen (taktil und optisch) belegen die geringe Rauheit (Ra<3 nm, Sa<5 nm) aller Schichtebenen. Eine Mischung von Materialen im Messfeld kann zu fehlerhaften Höhenmessungen führen. Dies wird durch die Beschichtung des ganzen Messfeldes mit 100 nm Chrom verhindert und zusätzlich kann so die Beständigkeit der Strukturen sichergestellt werden. Bei einer 3D-Testkalibrierung mit einem konfokalen Mikroskop wurden alle Marker von der kommerziellen Software erkannt und konnten für die Kalibrierung verwendet werden. Die Ergebnisse stehen in guter Übereinstimmung mit einer herkömmlichen 1D- und 2D-Kalibrierung des verwendeten Gerätes. Mit hier entwickelten skalierbaren 3D-Normalen eröffnet sich die Möglichkeit zukünftig auch an optischen Mikroskopen 3D-Kalibrierungen durchführen zu können. 3D-Mikronormale zur Anwendung in Rasterelektronenmikroskopen sollen Pyramidenstrukturen mit einem Kantenwinkel kleiner 60 ° aufweisen, um eine 3D Rekonstruktion zu realisieren. Der entwickelte Prozess erlaubt die Fertigung einstufiger Pyramiden mit Kantenlängen zwischen 5 μm – 40 μm, sowie runde Referenzstrukturen mit Durchmessern von 300 nm bis 3 μm. Das Trockenätzen von Silizium wurde über Gas- und Druckvariation so optimiert, dass ein Winkelbereich von 55 ° - 86 ° eingestellt werden kann. Die taktilen Stufenhöhenmessungen zeigen, dass der Ätzprozess durch eine inhomogene Ätzrate über den gesamten Wafer zu Stufenhöhenabweichungen von bis zu 300 nm zum Mittelwert aller gemessener Strukturen über dem Wafer führt. Auch auf den einzelnen Chips schwanken die Höhen vom Chip-Rand im Vergleich zur Chipmitte, um bis zu 40 nm. Lokal in einem Bereich von 600 x 600 μm2 erfüllen aber sowohl die Strukturhöhen als auch die Oberflächen die Anforderungen, dass Ebenheit, Konstanz der Schichtdicke und arithmetischer Mittenrauwert <2 % der Höhenstufen liegen sollen. Zusätzlich wurden 3D-Normale mit Vertiefungen im Substrat als Referenzstrukturen hergestellt, um Materialmix bei den Aufnahmen mit rückgestreuten Elektronen zu vermeiden. Der Übergang von einer Labor- zu einer industriellen Fertigung wurde für beide Prozessketten erfolgreich vollzogen
Information zur Reihe:
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PTB-Bericht Diss-19
Zitat:
Zitat:
Hellmich, C., 2025. Entwicklung und Herstellung von 3D-Mikronormalen für die dimensionelle Messtechnik. Dissertation, Technische Universität Braunschweig. Braunschweig: Physikalisch-Technische Bundesanstalt. PTB-Bericht Diss-19. ISBN 978-3-944659-51-0. Verfügbar unter: https://doi.org/10.7795/110.20250731

Autoren

Hellmich, Celina, Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), Fachbereich 5.2, Dimensionelle Nanometrologie

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