Т. Абе, У. Бранд, М. Джу, С. Буетефиш Актуальные активности в
advertisement
Метрологія-2012 Харків АКТУАЛЬНЫЕ АКТИВНОСТИ В ОБЛАСТЯХ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ ТОЛЩИН СЛОЯ И ТАКТИЛЬНЫХ СЕНСОРОВ В ОТДЕЛЕНИИ 5 PTB Т. Абе, У. Бранд, М. Джу, С. Буетефиш Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) Bundesallee 100, 38116, Braunschweig тел. ++49 (0)531 592 5143, факс ++49 (0)531 592 69 5143 е-mail: thomas.ahbe@ptb.de The article informs about some acutal works performed by the workinggroups 5.11 and 5.12 of the department 5 of the PTB. It is reported about measurements of the thickness of layer on cross sections, the development of a profiler with new type of probes and characterisation of stylus tips of commercial profilers. 1. Введение Отделение 5 PTB "Измерительная техника в производстве" делится на 5 подразделов, которые состоят снова из 5 рабочих групп. Иллюстрация (рис. 1) показывает отрывок из структуры PTB. Следующий доклад будет информировать о нескольких работах в рабочих группах 5.11 и 5.12. 2. Измерение толщины слоя Рабочая группа "Измерение толщины слоя" имеет задание дать производителям и ползовательям измерительных приборов толщины слоя возможность, для их приборов обеспечивать прослеживаемость на основе сертифицированных мер единицы СИ длины. Речь идет о гальванически произведенных слоях с толщиной больше чем 50 нм до 80 μм. Принципиально можно делить меры толщины слоя на 3 типа: пленочные меры, структуированные покрытые основания и неразрезно покрытые основания. Общий случай - это меры с неразрезно покрытым основанием. Для создания прослеживаемых мер следующий метод применяется: Исходный пункт - это количество одинаковых образцов, которые измеряются с относительным методом измерения. При этом метод рентгеновской флуоресценции преимущественно вступает в действие, потому что этот метод владеет высокой разрешающей способностю измерительного прибора и воспроизводимостью. Из этих образцов выбирают один или некоторые и подготавливают таким образом, что поперечныи разрез доступен для измерения с растровым электронным микроскопом. Металлографическая подготовка дополняется с методом ионно-лучевого травления, который дает отчетливое улучшение различимости граничных поверхностей между основанием и слоем и между слоем и наружным слоем. 451 Метрологія-2012 Харків Новая пробная оправа была изготовлена, которая обходит без материала для заделки из епоксидной смоли чтобы избегать статического заряда и образоваия трещин в электронном микроскопе (рис. 2). Измерение проводится в растровом электронном микроскопе, который был модифицирован для измерения длины с прослеживаемостью. Основная часть модификации - это предметный столик, который можно передвигать пьезоэлектрическим способом до 100 μм. Дистанция перенесения измеряется при помощи интерферометра, который находится совместно со столиком в камере микроскопа. Для измерения в поперечных разрезах сканированное движение электронного луча вдоль движения столика выключается. Генерирование изображения происходит благодаря комбинации движений столика и электронного луча. Таким образом получают изображение с прослеживаемыми расстояниями между строками (рис. 3). Для больших толщин измерение можно разделять на 2 следующей друг за другом снимки, между которыми двигает образец через большую дистанцию - при одновременном измерении перенесения. Высокое пространственное разрешение РЭМ может быть использовано таким образом также для больших толщин слоя. 3. Профилный сканер Вопреки всем успехам оптической измерительной техники в определении микрогеометрии технических поверхностей тактильные методы измерения играют все еще большую роль. При этом контактные профилометры и сканирующие зондовые микроскопы исползуют для реализации тактильных методов измерения. Между существенными параметрами обоих классов устройств имеется пробел. Радиус острия алмазной иглы редко бывает меньше 2 μм, напротив типичный радиус зонда сканирующих зондовых микроскопов (СЗМ) оставляет 20 нм. Также диапазон измерения в направлении Z отчетливо отличается: Для профилометров он составляет несколько 100μм до нескольких мм. Диапазон измерения СЗМ ограничена длиной иглы и диапазоном перемещения пъезоактуатора в Z-направлении - несколько микрометров. Успехи в кремниевой технологии делали возможным развитие сенсоров, которые могут заполнять этот пробел. В рамках проекта "µGeoMess" [1] был разработан набор сенсоров, размеры (длина игл до 30 μм) и пьезорезистивный принцип измерения которых дополняют возможности профилометров и СЗМ (рис. 4). Вследствие того, что 452 Метрологія-2012 Харків необходимость была снята что верхняя сторона кантилевера должна быть оптически доступна, сенсоры можно погружать также в маленькие отверстия и тонкие канавки оптических решеток. В качестве испытательного устройства и демонстратора профилный сканер был построен в PTB. Сканер настолько был конструирован, что сенсор можно использовать в двух направлениях (вертикально и горизонтально) и также относительно большие образцы могут быть измеряены (рис. 5). С помошью нижних столов и поворотного стола образец по объему 50 мм х 50 мм х 12мм можно откладывать и поворачивать. Измерение проводится с 3 пьезоэлектрическими столиками, на которых установлен сенсор в верхней части сканера. Движение сенсора измеряется дополнительно к установленному регулированию столов при помощи 3 лазерных интерферометров, которые расположены по осям картезианской системы. 4. Испытательная структура для проверки игл профилометров Профилометры работают при помощи игл из алмаза, радиус острия иглы лежит между 1μм и 12 μм. Поднявшиеся требования к погрешностю измерения, применение для измерения микро- геометрий и для мягких материалов требуют характеризовать иглу точнее чем до тех пор. С помощью РСМ и СЗМ действительно хорошо можно определять радиус и форму иглы, но эти методы оказываются слишком сложным для нормального пользователя или также не применимо, если игла не доступна этими методами измерения. Обычно при этом применяют методы, которые делают возможно выводы на вид иглы на основе измерения известной меры. 453 Метрологія-2012 Харків В стандарте DIN EN ISO 5436-1:2000 три метода описаны. Методы B1 и B2 используют канавки разной ширины и формы, которые являются восприимчиво для формы иглы. Метод B3 базируется на записи профиля при ощупывании острой кромки (лезвие бритвы). Для этого метода имеются в настоящее время также специальные меры (например мера фирма Halle KNT 4050/01). Также другие структуры могут быть применяены, например, как решетки, которые первоначально были предусмотрены для определения оптической разрешающей способности микроскопов. Между тем имеются также специальные вытравливаемые из кремнии решетки (фирма Simetrics мера для разрешающей способности RS-N, PTB-прототип). Глубина погружения острия в канавки решетки зависит от вида острия иглы и её можно понимать упрощено как функция радиуса острия иглы. Это, естественно, предполагает, что радиус кромок решетки известен и равномерен (рис. 8). Этот метод описывается в Успехи достигнуты при производстве структур в кремнии позволяют далее оптимизировать дизайн такой меры (рис. 6 и рис. 7). Целесообразным окажется предписывать канавки с частным разделением в области 0.4 μм до 3 μм в один ряд, чтобы получить достаточное количество измерительных точек для анализа. Литература [1] Peiner E, Balke M, Doering L and Brand U. (2008c). Measurement Science and Technology Tactile probes for dimensional metrology with microcomponents at nanometre resolution, 19, 064001. 454
