VDI VDE 2656 Blatt 1-2008 Determination of geometrical quantities by using of Scanning Probe Microscopes - Calibration of measurement systems.pdf

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1、VEREINDEUTSCHERINGENIEUREVERBAND DERELEKTROTECHNIKELEKTRONIKINFORMATIONSTECHNIKBestimmung geometrischer Messgren mit RastersondenmikroskopenKalibrierung von MesssystemenDetermination of geometrical quantities by using of Scanning Probe MicroscopesCalibration of measurement systemsVDI/VDE 2656Blatt 1

2、 / Part 1Ausg. deutsch/englischIssue German/EnglishVDI/VDE-Handbuch Mess- und Automatisierungstechnik, Band 2: Fertigungstechnisches MessenVDI-Handbuch Betriebstechnik, Teil 3: BetriebsmittelVDI/VDE-Handbuch Mikro- und FeinwerktechnikFrhere Ausgabe:12.06Entwurf,deutschFormeredition:12/06 Draft, inGe

3、rmanonlyVDI/VDE-RICHTLINIENZubeziehendurch / Available atBeuth Verlag GmbH, 10772 Berlin Alle Rechtevorbehalten/ All rights reserved VereinDeutscher Ingenieuree.V., Dsseldorf 2008Vervielfltigung auchfr innerbetrieblicheZwecke nicht gestattet / Reproduction even for internal use not permittedDie deut

4、sche Version dieser Richtlinie ist verbindlich.ICS 17.040.01, 19.060Juni 2008 June 2008Inhalt SeiteVorbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Anwendungsbereich . . . . . . . . . . . . . 32Begriffe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5、 . 53 Formelzeichen . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 Eigenschaften von Rastersonden- mikroskopen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94.1 Schematische Darstellung eines Rastersondenmikroskops . . . . . . . . . 94.2 Messtechnische Kategorien von Rastersondenmikroskopen. . . . . . . . . 104.3 Bloc

6、kmodell eines Rastersonden- mikroskops . . . . . . . . . . . . . . . . 114.4 Kalibrierintervalle . . . . . . . . . . . . . 125 Vorbereitende Charakterisierung des Messsystems . . . . . . . . . . . . . . . . . 135.1 Zu untersuchenden Gerteeigenschaften und Einflussfaktoren im berblick . . . . 165.2 W

7、artezeiten nach Eingriffen in das Messsystem . . . . . . . . . . . . . . . . 165.3 Externe Einflsse . . . . . . . . . . . . . 175.4 Rauschen des Gertes . . . . . . . . . . . 185.5 Qualitative Erfassung von Fhrungsabweichungen . . . . . . . . . . 215.6 Resmee . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 K

8、alibrierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236.1 Kalibrierschritte im berblick . . . . . . 246.2 Normale . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256.3 Fhrungsabweichungen der x y-Achse (xtz, ytz) . . . . . . . . . . . . . 26Contents PagePreliminary note . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2Introduc

9、tion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31Scope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Terms and definitions. . . . . . . . . . . . . . 53Symbols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 Characteristics of scanning probe microscopes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94.1 Schemati

10、c representation of a scanning probe microscope . . . . . . . . . 94.2 Metrological categories of scanning probe microscopes . . . . . . . .104.3 Block model of a scanning probe microscope . . . . . . . . . . . . . . . . .114.4 Calibration intervals. . . . . . . . . . . . .125 Preliminary characteri

11、zation of the measuring system . . . . . . . . . . . . . . .135.1 Overview of the device characteristics and influence factors to be investigated. . .135.2 Waiting times after interventions into the measuring system . . . . . . . . . . . . . .165.3 External influences . . . . . . . . . . . . .175.4

12、Noise of the device . . . . . . . . . . . . .185.5 Qualitative determination of guidance deviations . . . . . . . . . . . . .215.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . .226 Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .236.1 Overview of calibration steps . . . . . . . .246.2 Standards . .

13、. . . . . . . . . . . . . . . .256.3 Guidance deviations of the x- and y-axes (xtz, ytz) . . . . . . . . . . . . . . .26The German version of this guideline shall be taken as authorita-tive. No guarantee can be given with respect to the English trans-lation.VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisie

14、rungstechnik (GMA)Fachausschuss Geometrische Messgren und Messgerteeigenschaften/Kalibrierverfahren und NormaleB55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e. V., Dsseldorf 2008 2 VDI/VDE 2656 Blatt 1 / Part 1Seite6.4 Kalibri

15、erung der x- und y-Achse (Cx, Cy), der Rechtwinkligkeit (xy) und Feststellung von Abweichungen (xtx, yty, ywx) . . . . . . . . . . . . . . . . 306.5 Kalibrierung der z-Achse Cz, xz, yzund Feststellung der Abweichung ztz, zwx, zwy . . . . . . . . . . . . . . . . 426.6 3-D-Normale fr alternative bzw.

16、weiterfhrende Kalibrierung . . . . . . . . 527 Ergebnisbericht . . . . . . . . . . . . . . . . 588 Messunsicherheiten . . . . . . . . . . . . . . 599 Ergebnisprotokoll (Muster/Vorlage) . . . . . . 61Schrifttum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63Anhang A Beispiel fr die berlagerung von Strei

17、nflssen im Topografiebild . . . 65Anhang B Beispiel einer Untersuchung der lateralen Scanner-Drift (Kategorie C). 66Anhang C Schalluntersuchungen: Wirkung einer Schallschutzhaube. . . . . . . . 68Anhang D Thermisch isolierende Wirkung einer Schallschutzhaube/Messkabine . . . . 70Anhang E Regelparame

18、ter und Scangeschwindig- keit; Umgang mit Verunreinigungen . 72Anhang F Stufenhhenbestimmung: Vergleich Histogramm ISO-5436-Methode . . 75 Anhang G Messunsicherheit bei lateralen Messgren (Pitch, Position, Durchmesser) . . . . . . . . . . . . . 77VorbemerkungDer Inhalt dieser Richtlinie ist entstand

19、en unter Be-achtung der Vorgaben und Empfehlungen der Richt-linie VDI 1000.Alle Rechte, insbesondere die des Nachdrucks, der Fotokopie, der elektronischen Verwendung und der bersetzung, jeweils auszugsweise oder vollstndig, sind vorbehalten.Die Nutzung dieser VDI-Richtlinie ist unter Wahrung des Urh

20、eberrechts und unter Beachtung der Lizenz-bedingungen (www.vdi-richtlinien.de), die in den VDI-Merkblttern geregelt sind, mglich.Allen, die ehrenamtlich an der Erarbeitung dieser VDI-Richtlinie mitgewirkt haben, sei gedankt.Page6.4 Calibration of x- and y-axis (Cx, Cy), of rectangularity (xy), and d

21、etermination of deviations (xtx, yty, ywx). . . . . . . . . . . . . . . . 306.5 Calibration of the z-axis Cz, xz, yzand determination of the deviation ztz, zwx, zwy . . . . . . . . . . . . . . . . 426.6 3D standards for alternative and extended calibration . . . . . . . . . . . . 527 Result report .

22、 . . . . . . . . . . . . . . . . . 588 Uncertainties of measurement . . . . . . . . 599 Result report (specimen) . . . . . . . . . . . 62Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63Annex A Exemplary superposition of disturbing influences in the topography image . . 65Annex B Exemplary inv

23、estigation of the lateral scanner drift (category C) . . . . 66Annex C Sound investigations: Effects of a sound proofing hood . . . . . . . . . . 68Annex D Thermal isolation effect of a sound proofing hood/measuring cabin . 70Annex E Control parameters and scan speed; handling of contaminations . .

24、. . . . 72Annex F Step height determination: comparison between histogram and ISO-5436 method . . . . . . . . . . . . . . . . . 75Annex G Uncertainty of measurement for lateral measurands (pitch, position, diameter) . . . . . . . . . . . . . . . . 77Preliminary noteThe content of this guideline has

25、been developed in strict accordance with the requirements and recom-mendations of the guideline VDI 1000.All rights are reserved, including those of reprinting, reproduction (photocopying, micro copying), storage in data processing systems and translation, either of the full text or of extracts.The

26、use of this guideline without infringement of copy-right is permitted subject to the licensing conditions specified in the VDI notices (www.vdi-richtlinien.de). We wish to express our gratitude to all honorary con-tributors to this guideline.B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Sta

27、nd 2012-08All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e. V., Dsseldorf 2008 VDI/VDE 2656 Blatt 1 / Part 1 3 EinleitungDie fortschreitende Miniaturisierung in der Halblei-terstrukturierung macht, ebenso wie der rasante An-stieg beim Einsatz der uerst vielfltigen Nanotech-nologie, in einer Vielzah

28、l von industriellen Verfahren zuverlssige und vergleichbare quantitative dimensi-onelle Messungen im Mikro- und Submikrometerbe-reich notwendig 1. Dabei wird schon hufig eine Auflsung im Nanometerbereich und darunter ver-langt Bereiche, in die konventionelle optische oder tastende Messverfahren nich

29、t vorzudringen verm-gen.Deshalb kommen in stark steigender Zahl Rasterson-denmikroskope (SPM) 2 als quantitative Messinst-rumente zum Einsatz, wobei deren Anwendung lngst nicht mehr nur auf Forschung und Entwick-lung beschrnkt ist, sondern auch zunehmend in der industriellen Fertigung und Inspektion

30、 Einzug hlt 3.Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, auch fr diesen Typ von Messgerten standardisierte Kalibrierver-fahren zu entwickeln, wie sie z. B. fr Tastschnittge-rte lngst etabliert sind (DIN EN ISO 12 179). Viel-fach werden hierzu speziell entwickelte Normale ein-gesetzt. Um damit Kalibrierun

31、gen von SPM gut und gleichzeitig effizient durchfhren zu knnen, sollten nicht nur die Eigenschaften der verwendeten Nor-male dokumentiert sein und bei der Kalibrierung be-rcksichtigt werden, sondern auch die Vorgehens-weise beim Kalibrieren klar definiert sein.Dies ist eine notwendige Voraussetzung,

32、 Messungen geometrischer Gren rckfhrbar durchfhren zu knnen (Bild 1).1 AnwendungsbereichDiese Richtlinie ist beschrnkt auf Rastersondenmik-roskope und deren Kalibrierung. Ein Rastersonden-mikroskop ist ein seriell arbeitendes Messgert, das mit einer entsprechend feinen Sonde die Oberflche des Messob

33、jekts unter Ausnutzung einer lokalen physikalischen Wechselwirkung (wie dem quanten-mechanischen Tunneleffekt, zwischenatomaren bzw. -molekularen Krften, evaneszenten Moden des elek-tromagnetischen Feldes) nachfhrt, wobei Sonde und Messobjekt nach einem zuvor festgelegten Schema in einer Ebene (nach

34、folgend x-y-Ebene genannt) relativ zueinander bewegt werden, whrend das Signal der Wechselwirkung aufgezeichnet wird und fr die Re-gelung des Abstands zwischen Sonde und Messob-jekt verwendet werden kann. In dieser Richtlinie wer-den solche Signale betrachtet, die zur Topografie-Be-stimmung genutzt

35、werden (nachfolgend z-Signal“ genannt).IntroductionThe progress of miniaturization in semiconductor structuring, just as the fast advance of the extremely versatile nanotechnology applications, in a great number of industrial processes calls for reliable and comparable quantitative dimensional measu

36、rements in the micro- and submicrometre range 1. By now resolutions in or even below the nanometre region are already frequently required, i. e. resolutions conven-tional optical or scanning-type measurement methods are not able to offer. This is why scanning probe microscopes (SPM) 2 are increasing

37、ly employed as quantitative measuring instruments, their use being no longer confined only to research and development but increasingly ex-tended also to industrial production and inspection 3. For this category of measuring instruments, too, standardized calibration procedures therefore need to be

38、developed as have, for example, been established already long ago for contact stylus instruments (DIN EN ISO 12 179). In many cases, specifically developed measurement standards are used here. For calibrations of SPMs to be carried out not only relia-bly but also efficiently, the properties of the s

39、tandards used should have been documented and be accounted for in the calibration and, at the same time, the proce-dure for the calibration should be clearly defined.Only if this prerequisite is provided will it be possible to perform traceable measurements of geometrical quantities (Figure 1).1Scop

40、eThis guideline is restricted to scanning probe micro-scopes and their calibration. A scanning probe micro-scope is a serially operating measuring device which uses a probe of adequate fineness to trace the surface of the object to be measured exploiting a local physi-cal interaction (such as the qu

41、antum-mechanical tun-nel effect, interatomic or intermolecular forces, eva-nescent modes of the electromagnetic field) with the probe and the object to be measured being displaced in relation to one another in a plane (hereinafter re-ferred to as the x-y-plane) according to a defined pat-tern, while

42、 the signal of the interaction is recorded and can be used to control the distance between probe and object to be measured. In this guideline signals are considered which are used for the determination of the topography (hereinafter called “z-signal”). B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9N

43、ormCD - Stand 2012-08Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e. V., Dsseldorf 2008 4 VDI/VDE 2656 Blatt 1 / Part 1Die Richtlinie umfasst die Verifizierung der fr die Messung geometrischer Mae notwendigen Gerte-eigenschaften und die Kalibrierung der Bewegungs-achsen (x, y, z), das heit, d

44、ie Rckfhrung auf die Lngeneinheit ber die Messung an rckgefhrten Lateral- und Stufenhhennormalen (Bild 2).Mit der Anwendung dieser Richtlinie werden fol-gende Ziele verfolgt:Bessere Vergleichbarkeit von Messungen geomet-rischer Gren mit Rastersondenmikroskopen durch die Rckfhrung auf die Lngeneinhei

45、tFestlegung von Mindestanforderungen an den Ka-libriervorgang und an die AbnahmebedingungenFeststellung der Kalibrierfhigkeit (Einteilung in Kategorien fr Kalibrierfhigkeit)Festlegung des Gltigkeitsbereiches einer Kalib-rierung (Messbedingungen und Umgebungen, Messbereiche, zeitliche Stabilitt, bert

46、ragbar-keit)Bereitstellung eines GUM-konformen Modells zur Messunsicherheitsberechnung fr einfache Geometriegren bei Messung mit einem Raster-sondenmikroskop (siehe Abschnitt 8)Festlegung der Anforderungen an ein Ergeb-nisprotokollThe guideline covers the verification of the device characteristics n

47、ecessary for the measurement of ge-ometrical measurands, and the calibration of the axes of motion (x, y, z), i. e. the traceability to the unit of length via measurement on traceable lateral and step height standards (Figure 2).With the implementation of this guideline the follow-ing objectives are

48、 pursued:increase in the comparability of measurements of geometrical quantities using scanning probe mi-croscopes by traceability to the unit of lengthdefinition of minimum requirements for the cali-bration process and the conditions of acceptanceascertainment of the calibratability (assignment to

49、calibratability categories)fixing of the scope of a calibration (conditions of measurement and environments, ranges of meas-urement, temporal stability, transferability) provision of a model according to GUM to calcu-late the uncertainty for simple geometrical quanti-ties in measurements using a scanning probe mi-croscope (see Section 8)definition of the requirements for a result report Bild 1. Rckfhrungskette fr Rastersondenmikrosko