Charakterisierung der Wechselwirkung von AFM-Sonden an stark geneigten Oberflächen bei Oszillationsmodus-AFM zur quantitativen Bestimmung dimensioneller Parameter von Nanostrukturen mit hohem Aspektverhältnis
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Für eine Schatzung der Objektgeometrie von Strukturen, Rauheiten und Partikeln im Nanometerbereich und für die Bestimmung der Unsicherheit der Geometrieschätzer wurde das Wechselwirkungsverhalten in der atomaren Kraftmikroskopie (atomic force microscopy) untersucht. Die Untersuchungen wurden mit amplitudenmodulierten Kraftmikroskopen, d.h. im Modus mit fester Anregungsfrequenz, durchgeführt. Die AFM wurden nicht nur scannend, sondern auch mit Einzelpunktantastung betrieben. Es wurden die sich aus den unterschiedlichen geometrischen Verhältnissen entlang einer Strukturkante ergebenden Verläufe der van der Waalskraft berechnet und das in diesen Kraftfeldern resultierende Antwortverhalten einer oszillierenden Spitze simuliert. Vergleiche des simulierten Verlaufs der Amplitudendampfung und der Phasenverschiebung im Kantenubergang mit den entsprechenden Messungen haben gezeigt, dass der Effekt der scheinbaren Geometrieverzerrung nicht von Veränderungen im Verlauf der konservativen van der Waalskraft, sondern von dissipativen Kräften dominiert wird. Während eine Zunahme der konservativen Kraft eine Zunahme der Phasenverschiebung hervorruft, bewirkt eine Zunahme der Dissipation eine gegenläufige Phasenverschiebung. Eine vertikal oszillierende Spitze an einer Strukturseitenwand erfahrt Reibungskräfte wie bei Lateralkraftmessungen, die sich darin zeigen, dass der Verlauf von Amplitudendämpfung und Phasenverschiebung ein stark chaotisches Verhalten aufweist. Im Gegensatz dazu zeigen die Amplituden- und Phasenverläufe bei der Annäherung an eine Seitenwand einer im Torsionsmode schwingenden Spitze ein gleichförmiges monotones Verhalten wie die vertikal schwingende Spitze bei Annäherung an eine horizontale Fläche. Für das dimensionelle Messen mit Subnanometergenauigkeit ist es deshalb erforderlich, dass AFM-Sonden nicht parallel oder nahezu parallel zur gemessenen Oberflache schwingen dürfen. An Strukturseitenwänden eignet sich eine laterale Schwingungsrichtung. Für den Torsionsmodus sind die gängigen Cantilever zu steif (ungefähr einen Faktor 7 bis 10 steifer als ihre jeweilige Biegeschwingung), so dass ihre Empfindlichkeit zu niedrig ist. Deshalb ist eine Entwicklung von Cantilevern mit in etwa gleicher Steifigkeit sowohl in vertikaler als auch in lateraler Biegerichtung in Planung. Es soll eine dreidimensionale AFM-Sonde entwickelt werden, die sich von der Idee her an frühere Entwicklungen eines 3D-Mikrotasters in der PTB und TU Braunschweig und einer 3D-Sonde an der TU Delft, die für nanotribologische Anwendungen entwickelt wurde, anlehnt. Aber auch wenn die Spitze senkrecht zur allgemeinen Geometrie des Messobjekts schwingt, können dissipative Anteile in der Wechselwirkung zwischen einer Sondenspitze und der Probenoberflache auftreten. Dies gilt für raue und für viskoelastische Flächen. Dissipationseffekte treten auch auf bei Nanopartikeln oder Dimeren und bei lokalen Defekten. Die AFM-Messtechnik wurde während der letzten zehn Jahre für die Bestimmung derartiger Dissipationen zur Charakterisierung von Materialeigenschaften bedeutend weiter entwickelt. Eine entsprechende Auswertung der Signale für geometrische Messungen wie Kantenverundungen und Nanorauheiten ist jedoch noch nicht üblich. Mit den wachsenden Anforderungen an die Genauigkeit für Strukturkanten in der Halbleiterindustrie und mit der zunehmenden Miniaturisierung von Strukturen lassen sich Effekte der Nanogeometrie und Nanorauheit nicht mehr von den Oberflachenkräften, also von der Nanotribologie, die durch das Wechselspiel von Adhäsion und komplexer Elastizität bestimmt wird, trennen. Deshalb ist eine zukünftige Verknüpfung von AFM-Messtechniken für Materialcharakterisierung und Geometriebestimmung erforderlich.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- New developments at Physikalisch Technische Bundesanstalt in three-dimensional atomic force microscopy with tapping and torsion atomic force microscopy mode and vector approach probing strategy, J. Micro/Nanolith. MEMS MOEMS 11(1), 011004 (Jan-Mar 2012)
Gaoliang Dai, Wolfgang Häßler-Grohne, Dorothee Hüser, Helmut Wolff, Jens Fluegge, Harald Bosse
- Characterizing edge profiles of photomask structures with complementary information from SEM and AFM, Proc. SPIE 8681, Metrology, Inspection, and Process Control for Microlithography XXVII, 868133 (April 10, 2013)
Wolfgang Häßler-Grohne, Dorothee Hüser
(Siehe online unter https://doi.org/10.1117/12.2014417) - Geometry distortions of nanostructure edges scanned with amplitude-modulated atomic force microscopes, Meas. Sci. Technol. 24 (2013) 115008 (9pp)
Dorothee Hüser, Wolfgang Häßler-Grohne, Jonathan Hüser
(Siehe online unter https://doi.org/10.1088/0957-0233/24/11/115008)
