A novel instrument named hybrid microscope (HM) for in-situ reference areal surface metrology is presented in this doctoral work. The hybrid in its name indicates that the developed instrument synergically combines different surface measuring modes such as atomic force microscopic mode (AFM) and interference microscopic mode (IM). With these modes in combination, topography can be measured firstly with the IM-mode to have a quick overlook of the sample surface in a large measurement area. Then the instrument is switched to the AFM-mode for measuring with higher resolution whenever and wherever needed. Two of the most essential advantages of this instrument are (I) in-situ reference data can be obtained at the very same position without changing and transporting samples from one instrument to another, and (II) the local topography fidelity as well as lateral resolution of the IM measurement results can be enhanced by the AFM measurement results.
The HM is developed on a framework of an optical interference microscope, facilitating the IM measurements through the integration of both phase-shifting interferometric- (PSI) and white-light interferometric- (WLI) techniques. The HM system is employed with Mirau-type objectives manufactured by the company Nikon, with magnifications of 20x and 100x, respectively. These objectives enable high-precision measurements, demonstrated by a low noise level, e.g., the measurement noise of the IM-mode using 20x objective is characterized as low as approximately 0.27 nm (RMS). Furthermore,the IM-mode of the HM exhibits good isotropic bandwidth characteristics, whose angular-dependent relative difference is characterized lower than 8%, and excellent measurement repeatability, where a standard deviation less than 0.5 nm is obtained across five repeated IM measurements.
The AFM-mode is integrated into the HM system without relying on a conventional optical-lever readout system. Instead, by positioning the AFM cantilever within the camera’s field of view (FOV) at the objective’s focal plane, interference fringe is generated between a measurement light beam reflected from the back side of the AFM cantilever and a reference beam reflected from the reference mirror of the Mirau-objective. The generated interference fringe represents the topography of the back side of the AFM cantilever. During AFM measurements, as the AFM tip interacts with sample surfaces and impacted by tip-sample interaction forces, deflection of the AFM cantilever will be detected from the changes of the interference fringe. More specifically, the phase shift of the fringe represents the z-motion of the AFM tip, and the distortion of the fringe indicates the torsion of the AFM cantilever. In such a way, AFM-mode can be realized in a compact but high synergic design manner. The AFM sensor system developed in this study exhibits a lateral measurement resolution comparable to that of commercial AFM instruments (down to 10 nm, depending on the AFM tip used), and a noise level of 0.04 nm, which is both theoretically predicted and experimentally confirmed in this work. The measurement traceability of the HM is ensured by calibrations using nanoscale standards, which were calibrated by a metrological AFM developed at the Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB).
Application examples are demonstrated in this dissertation, showing a high application potential of the developed HM for reference surface metrology. One of the most potential applications is to offer reference topography data for optical measurement instruments. To demonstrate this application, a set of sample surfaces made of different materials and manufactured by different surface processing techniques are investigated using AFM- and IM-modes of the HM. AFM and IM datasets are then correlated and compared. The results show that the sample structures can not only be resolved with more details by AFM measurements than that of IM, but also the optical artifacts in IM measurements can be easily detected by using the AFM data as a reference. Thus, by using the AFM data as a reference, the topography fidelity of optical measurements can be characterized, which also offers hints for potential improvements of optical measurement techniques.


Deutsche Version

In dieser Doktorarbeit wird ein neuartiges Instrument namens Hybridmikroskop (HM) für die in-situ-Referenzoberflächenmessung vorgestellt. Das Hybrid im Namen weist darauf hin, dass das entwickelte Instrument verschiedene Oberflächenmessmodi wie den Rasterkraftmikroskopie-Modus (AFM) und den Interferenzmikroskopie-Modus (IM) synergetisch kombiniert. Durch die Kombination dieser Modi kann die Topografie zunächst mit dem IM-Modus gemessen werden, um einen schnellen Überblick über die Probenoberfläche in einem großen Messbereich zu erhalten. Anschließend wird das Gerät auf den AFM-Modus umgeschaltet, um jederzeit und überall mit höherer Auflösung zu messen.
Zwei der wichtigsten Vorteile dieses Instruments sind, dass (I) in-situ-Referenzdaten an der gleichen Stelle gewonnen werden können, ohne dass die Proben von einem Instrument zum anderen gewechselt und transportiert werden müssen, und (II) die lokale Topographietreue (topography fidelity) sowie die laterale Auflösung der IM-Messergebnisse durch AFM-Messergebnisse verbessert werden können.
Das HM wurde auf der Grundlage eines optischen Interferenzmikroskops entwickelt, das durch die Integration von phasenverschiebender Interferometrie (PSI) und Weißlichtinterferometrie (WLI) IM-Messungen ermöglicht. Das HM-System wird mit Mirau-Objektiven der Firma Nikon mit Vergrößerungen von 20x bzw. 100x eingesetzt. Diese Objektive ermöglichen hochpräzise Messungen, die sich durch ein geringes Rauschen auszeichnen, z. B. ist das Messrauschen des IM-Modus bei Verwendung eines 20x-Objektivs mit ungefähr 0,27 nm (RMS) als sehr gering einzustufen. Darüber hinaus weist der IM-Modus des HM gute isotrope Bandbreiteneigenschaften auf, deren winkelabhängige relative Differenz als < 8% charakterisiert wird, sowie eine ausgezeichnete Messwiederholbarkeit, bei der eine Standardabweichung von < 0,5 nm über fünf wiederholte IM-Messungen erzielt wird.
Der AFM-Modus ist in das HM-System integriert, ohne auf ein herkömmliches „Optical-Lever"-Auslesesystem zurückzugreifen. Stattdessen wird durch die Positionierung des AFM-Cantilevers innerhalb des Sichtfelds der Kamera in der Brennebene des Objektivs eine Interferenz zwischen einem von der Rückseite des AFM-Cantilevers reflektierten Messlichtstrahl und einem vom Referenzspiegel des Mirau-Objektivs reflektierten Referenzstrahl erzeugt. Das erzeugte Interferenzmuster stellt die Topographie der Rückseite des AFM-Cantilevers dar. Während der AFM-Messungen wird die Auslenkung des AFM-Cantilevers, die durch die Wechselwirkungskräfte zwischen Spitze und Probe hervorgerufen wird, anhand der Änderungen des Interferenzmusters erfasst. Im Einzelnen stellt die Phasenverschiebung der Interferenzstreifen die z-Bewegung der AFM-Spitze dar, und die Verzerrung der Interferenzstreifen zeigt die Torsion des AFM-Cantilevers an. Auf diese Weise kann der AFM-Modus in einer kompakten, aber hochsynergetischen Bauweise realisiert werden. Das in dieser Studie entwickelte AFM-Sensorsystem weist eine laterale Messauflösung auf, die mit derjenigen kommerzieller AFM-Instrumente vergleichbar ist (bis zu 10 nm, abhängig von der verwendeten AFM-Spitze), und ein Rauschniveau von 0,04 nm, das in dieser Arbeit sowohl theoretisch vorhergesagt als auch experimentell bestätigt wurde. Die messtechnische Rückführbarkeit des HM wird durch Kalibrierungen mit nanoskaligen Normalen sichergestellt, die mit einem an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) entwickelten metrologischen AFM kalibriert wurden.
Die in dieser Dissertation vorgestellten Anwendungsbeispiele zeigen ein hohes Anwendungspotenzial des entwickelten HM für die Referenzoberflächenmesstechnik. Eine der potenziell größten Anwendungen ist die Bereitstellung von Referenztopographiedaten für optische Messgeräte. Zur Demonstration dieser Anwendung wird eine Reihe von Probenoberflächen, die aus unterschiedlichen Materialien bestehen und mit verschiedenen Oberflächenbearbeitungsverfahren hergestellt wurden, mithilfe des AFM- und des IM-Modus des HM untersucht. Anschließend werden die AFM- und IM-Datensätze korreliert und miteinander verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Probenstrukturen durch AFM-Messungen nicht nur detailreicher aufgelöst werden können als durch IM-Messungen, sondern dass sich auch optische Artefakte in IM-Messungen unter Verwendung der AFM-Daten als Referenz leicht erkennen lassen. Dadurch lässt sich die Topographietreue optischer Messungen charakterisieren, woraus sich zugleich Ansatzpunkte zur Verbesserung optischer Messverfahren ableiten lassen.