DIN 32567-3-2014 Production equipment for microsystems - Determination of the influence of materials on the optical and tactile dimensional metrology - Part 3 Derivation of correct.pdf

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1、Oktober 2014DEUTSCHE NORM DIN-Normenausschuss Feinmechanik und Optik (NAFuO)Preisgruppe 13DIN Deutsches Institut fr Normung e. V. Jede Art der Vervielfltigung, auch auszugsweise, nur mit Genehmigung des DIN Deutsches Institut fr Normung e. V., Berlin, gestattet.ICS 39.020!%:/(“2231205www.din.deDDIN

2、32567-3Fertigungsmittel fr Mikrosysteme Ermittlung von Materialeinflssen auf die optische und taktiledimensionelle Messtechnik Teil 3: Ableitung von Korrekturwerten fr taktile MessgerteProduction equipment for microsystems Determination of the influence of materials on the optical and tactile dimens

3、ionalmetrology Part 3: Derivation of correction values for tactile measuring devicesquipements de production pour systmes microtechniques Dtermination de linfluence des matriaux sur la mtrologie dimensionnelle optique ettactile Partie 3: Drivation des valeurs de correction pour les appareils de mesu

4、re tactilesAlleinverkauf der Normen durch Beuth Verlag GmbH, 10772 Berlin www.beuth.deGesamtumfang 28 SeitenDIN 32567-3:2014-10 2 Inhalt Seite Vorwort . 3 Einleitung 4 1 Anwendungsbereich 5 2 Normative Verweisungen . 5 3 Begriffe 5 4 Messbedingungen 5 5 Topografische Schichtdickenmessung mit Tastsch

5、nittgerten 6 6 Einflussfaktoren bei taktilen Oberflchenmessverfahren 7 6.1 Allgemeines . 7 6.2 Gertespezifische Einflussfaktoren bei taktilen Verfahren 7 6.2.1 Allgemeines . 7 6.2.2 Antastkraft . 7 6.2.3 Tastspitzenradius . 8 6.2.4 Vorschubgeschwindigkeit . 10 7 Bestimmung und Korrektur der systemat

6、ischen Abweichung topografisch gemessener Schichtdicken . 10 7.1 Allgemeines . 10 7.2 Topografische Schichtdickenmessung mit unterschiedlichen Antastkrften . 11 7.3 Bestimmung der Schichtdicke d bei Antastkraft Null . 12 7.3.1 Allgemeines . 12 7.3.2 Reduzierung des Kontaktdruckes. 13 7.4 Berechnung

7、der systematischen Abweichung d der gemessenen Schichtdicke als Funktion der Antastkraft Ftip14 7.5 Fit der systematischen Abweichung d als Funktion der Antastkraft Ftip14 7.6 Berechnung von Korrekturwerten 14 Anhang A (informativ) Verfahren zur Messung der Antastkraft 15 A.1 Allgemeines . 15 A.2 Ko

8、mpensationswaage 15 A.3 Biegebalken-Kraft-Einstellnormal . 16 Anhang B (informativ) Kalibrierverfahren fr den Tastspitzenradius . 19 Anhang C (informativ) Beispielauswertung: nderung der taktil gemessenen Schichtdicke mit der Antastkraft 23 C.1 Topografische Schichtdickenmessung mit unterschiedliche

9、n Antastkrften . 23 C.2 Bestimmung der Schichtdicke d bei Antastkraft Null . 25 C.3 Berechnung der systematischen Abweichung d der gemessenen Schichtdicke als Funktion der Antastkraft Ftip25 C.4 Fit der systematischen Abweichung d als Funktion der Antastkraft Ftip26 C.5 Berechnung von Korrekturwerte

10、n 27 Literaturhinweise . 28 DIN 32567-3:2014-10 3 Vorwort Dieses Dokument wurde vom Arbeitsausschuss NA 027-03-03 AA Fertigungsmittel fr Mikrosysteme“ im DIN-Normenausschuss Feinmechanik und Optik (NAFuO) erarbeitet. Es wird auf die Mglichkeit hingewiesen, dass einige Texte dieses Dokuments Patentre

11、chte berhren knnen. Das DIN und/oder die DKE sind nicht dafr verantwortlich, einige oder alle diesbezglichen Patentrechte zu identifizieren. DIN 32567 Fertigungsmittel fr Mikrosysteme Ermittlung von Materialeinflssen auf die optische und taktile dimensionelle Messtechnik besteht aus den folgenden Te

12、ilen: Teil 1: Qualitative Abschtzung der material- und verfahrensspezifischen Einflsse Teil 2: Prfkrper fr taktile Verfahren Teil 3: Ableitung von Korrekturwerten fr taktile Messgerte Teil 4: Prfkrper fr optische Verfahren Teil 5: Ableitung von Korrekturwerten fr optische Messgerte DIN 32567-3:2014-

13、10 4 Einleitung Ziel der vorliegenden Norm ist die Empfehlung eines Verfahrens zur Bestimmung und Korrektur der systematischen Abweichungen taktiler topografischer Schichtdickenmessungen fr den Fall, dass Schicht und Substrat unterschiedliche mechanische Eigenschaften aufweisen. An dieser Stelle wir

14、d auf die Kalibrierverfahren in den Technischen Regeln VDI/VDE 2617 Blatt 12.1, VDI/VDE 2629 Blatt 1, EN ISO 12179, ISO 25178 Blatt 601 und VDI/VDE 2656 Blatt 1 verwiesen. Die dimensionelle Messung von Mikrobauteilen ist eine wichtige Aufgabe der Qualittssicherung in der Mikroproduktionstechnik. Die

15、 Bereitstellung von Prfkrpern und dazugehriger Kalibrierverfahren ist eine wesentliche Voraussetzung dafr. Mit den heute verfgbaren Prfkrpern ist hier ein groer Schritt in Richtung der Messbarkeit unterschiedlicher Mikrostrukturen gelungen. Bisher liegen den Kalibrierungsverfahren jedoch idealisiert

16、e Annahmen zugrunde. So sind z. B. die Prfkrper aus steifem, homogenem Material, so dass bei taktiler Messung die elastische/plastische Verformung des Prfkrpers vernachlssigt werden kann. Gerade in der Mikrotechnik, z. B. in Mikrosystemen werden aber hufig unterschiedliche Materialien mit sehr stark

17、 voneinander abweichenden mechanischen Eigenschaften eingesetzt. Bei taktilen topografischen Schichtdickenmessungen, bei denen sich die Schicht als Hhenstufe zum darunter liegenden Substrat darstellt, kann es dann zu relativ groen systematischen Abweichungen der gemessenen Schichtdicke kommen. Die N

18、orm beschreibt Verfahren zur Bestimmung und Korrektur dieser systematischen Abweichungen fr Tastschnittgerte. Die Norm lsst sich auch auf scannend messende Koordinatenmessgerte mit taktilem Sensor und Rasterkraftmikroskope im contact mode“ anwenden. Die Norm zielt in erster Linie auf die Materialpaa

19、rung weiche, nachgiebige Schicht auf hartem, steifem Substrat ab. Wichtigste Voraussetzung fr die Anwendung der Norm ist die Mglichkeit der topografischen Schichtdickenmessung, d. h. die Schicht muss als Profilstufe messbar sein. Anwenden lsst sich die Norm auf taktile Schichtdickenmessungen beliebi

20、ger Werkstcke. Im Anhang werden zwei Verfahren zur Bestimmung der Antastkraft von Tastschnittgerten (Anhang A), ein Verfahren zur Messung des Tastspitzenradius (Anhang B) und ein Beispiel fr die Anwendung der Norm beschrieben (Anhang C). DIN 32567-3:2014-10 5 1 Anwendungsbereich DIN 32567 beschreibt

21、 systematische Einflsse und Abweichungen bei der Messung von Schichtdicken und Stufenhhen von Mikrostrukturen aus inhomogenen Materialien mit ausgewhlten taktilen und optischen Messgerten. DIN 32567 legt Verfahren fest, mit denen durch Materialeigenschaften und Messverfahren verursachte systematisch

22、e Messabweichungen ermittelt und korrigiert werden. Dieser Teil der DIN 32567 beschreibt systematische Einflussfaktoren fr die taktile Messung von Schichtdicken und Stufenhhen von Mikrostrukturen aus inhomogenen Materialien. Auerdem legt dieser Teil der DIN 32567 Verfahren fest, mit denen diese Einf

23、lussfaktoren ermittelt und korrigiert werden knnen. Dadurch wird es mglich, genauere Messergebnisse zu erzielen. 2 Normative Verweisungen Die folgenden Dokumente, die in diesem Dokument teilweise oder als Ganzes zitiert werden, sind fr die Anwendung dieses Dokuments erforderlich. Bei datierten Verwe

24、isungen gilt nur die in Bezug genommene Ausgabe. Bei undatierten Verweisungen gilt die letzte Ausgabe des in Bezug genommenen Dokuments (einschlielich aller nderungen). DIN 32564-1, Fertigungsmittel fr Mikrosysteme Begriffe und Definitionen DIN 32567-11), Fertigungsmittel fr Mikrosysteme Ermittlung

25、von Materialeinflssen auf die optische und taktile dimensionelle Messtechnik Qualitative Abschtzung der material- und verfahrensspezifischen Einflsse DIN 32567-2, Fertigungsmittel fr Mikrosysteme Ermittlung von Materialeinflssen auf die optische und taktile dimensionelle Messtechnik Prfkrper fr takt

26、ile Verfahren DIN EN ISO 5436-1, Geometrische Produktspezifikation (GPS) Oberflchenbeschaffenheit: Tastschnittverfahren; Normale Teil 1: Maverkrperungen VDI/VDE 2617 Blatt 12.1, Genauigkeit von Koordinatenmessgerten Kenngren und deren Prfung Annahme- und Besttigungsprfungen fr Koordinatenmessgerte z

27、um taktilen Messen von Mikrogeometrien VDI/VDE 2629 Blatt 1, Genauigkeit von Konturenmessgerten Kenngren und deren Prfung Annahmeprfung und Besttigungsprfung fr Konturenmessgerte nach dem taktilen Tastschnittverfahren VDI/VDE 2656 Blatt 1, Bestimmung geometrischer Messgren mit Rastersondenmikroskope

28、n Kalibrierung von Messsystemen 3 Begriffe Fr die Anwendung dieses Dokuments gelten die Begriffe nach DIN 32564-1 und nach DIN 32567-1. 4 Messbedingungen Die Messungen mssen unter definierten Bedingungen hinsichtlich Reinheit, Temperatur, Luftfeuchte und Schwingungen durchgefhrt werden. Es gelten di

29、e Festlegungen in VDI/VDE 2617 Blatt 12.1, VDI/VDE 2629 Blatt 1 und VDI/VDE 2656 Blatt 1. 1) Dieser Teil der Normenreihe befindet sich derzeit noch in der Erarbeitung. DIN 32567-3:2014-10 6 5 Topografische Schichtdickenmessung mit Tastschnittgerten Tastschnittgerte sind in der dimensionellen Messtec

30、hnik weit verbreitet. Zur Vermeidung von Beschdigungen der Oberflche des Messobjekts mssen sowohl die Antastkraft Ftipals auch der Radius der Tastspitze rtipdefiniert sein. In DIN EN ISO 3274 1 werden fr Rauheitsmessungen eine statische Messkraft von Ftip= 750 N und eine sphrische Spitze der Tastnad

31、el mit einem Radius von rtip= 2 m empfohlen. Fr die zerstrungsfreie Messung der Dicke von weichen Schichten mssen wesentlich kleinere Antastkrfte, als die fr Rauheitsmessungen empfohlenen, eingesetzt werden. Sollen Mikro- und Nanostrukturen lateral aufgelst werden, mssen darber hinaus kleinere Tasts

32、pitzenradien als 2 m verwendet werden. Legende 1 Tastspitze (Etip, Htip, tip) 2 Schicht (EL, HL, L) 3 Substrat (ES, HS, S) Etip, EL, ESElastizittsmoduln dmgemessene Schichtdicke rtipRadius der Tastspitze Htip, HL, HSHrte d Schichtdicke bei Antastkraft Null tip, L, SQuerkontraktionen FtipAntastkraft

33、DLDeformation der Schicht vtipVorschubgeschwindigkeit DSDeformation des Substrates Bild 1 Deformationen bei der topografischen Schichtdickenmessung mit dem Tastschnittgert Bei Messungen auf Oberflchen, die aus homogenem Material bestehen, sind bei konstanter Antastkraft und Vorschubgeschwindigkeit a

34、uch die auftretenden Deformationen konstant. Bei topografischen Schichtdickenmessungen (siehe Bild 1), bei denen Schicht und Substrat aus unterschiedlichen Materialien aufgebaut sind, knnen systematische Messabweichungen d, bedingt durch unterschiedliche Deformationen von Schicht (DL) und Substrat (

35、DS), auftreten. Die gemessene Schichtdicke dmweicht dann systematisch von der Schichtdicke d bei Antastkraft Null ab: ddDDd =mLS (1) Zustzliche Informationen zu Tastschnittgerten knnen DIN EN ISO 25178-601 3 entnommen werden. DIN 32567-3:2014-10 7 6 Einflussfaktoren bei taktilen Oberflchenmessverfah

36、ren 6.1 Allgemeines Im Allgemeinen haben gertespezifische, materialspezifische und umgebungsspezifische Faktoren einen Einfluss auf das Messergebnis der topografischen Schichtdickenmessung (siehe Tabelle 1). Tabelle 1 Einflussfaktoren bei der topografischen Schichtdickenmessung mit Tastschnittgerten

37、 Gertespezifische Einflussfaktoren Materialspezifische Einflussfaktoren Umgebungsspezifische Einflussfaktoren Antastkraft (Ftip) Tastspitzenradius (rtip) bzw. Tastspitzengeometrie Vorschubgeschwindigkeit (vtip) Hrte (H) Fliegrenze (Y) Elastizittsmodul (E) Viskositt () Querkontraktion (Poissonzahl) (

38、v) Temperatur (T) Luftfeuchte (rF) Bei den gertespezifischen Einflussfaktoren treten neben der Antastkraft, der Tastspitzenradius und die Vorschubgeschwindigkeit als relevante Einflussfaktoren auf. Durch Variation dieser Messparameter kann ihr Einfluss auf die gemessene Schichtdicke untersucht und k

39、orrigiert werden. Tastspitzenradius und Vorschubgeschwindigkeit lassen sich bei fast allen Tastschnittgerten variieren, die Antastkraft nur bei wenigen Gerten. Bei einigen Gerten, die im Bereich der Halbleiterfertigung weit verbreitet sind, lassen sich zwar sehr kleine Antastkrfte einstellen, aber d

40、ie grte Antastkraft betrgt nur 500 N. Mit diesen Gerten lassen sich die antastkraftabhngigen systematischen Abweichungen der gemessenen Schichtdicke sehr gut untersuchen. Materialspezifische Einflussfaktoren sind die Hrte sowie die damit korrelierte Fliegrenze des Materials, der Elastizittsmodul, di

41、e Viskositt und die Querkontraktion. Viskose Materialien wie bspw. viele Polymere zeigen neben statischen auch zeitabhngige Deformationen, die von der Vorschubgeschwindigkeit abhngen. Wesentliche umgebungsspezifische Einflussfaktoren sind die Temperatur und die Luftfeuchte. Viele Polymere quellen in

42、 feuchter Umgebung auf und ndern ihre mechanischen Eigenschaften. Dies muss bei der Untersuchung der materialabhngigen Eigenschaften bercksichtigt werden. 6.2 Gertespezifische Einflussfaktoren bei taktilen Verfahren 6.2.1 Allgemeines In diesem Abschnitt werden gertespezifische Einflussfaktoren bei d

43、er topografischen Schichtdickenmessung mit Tastschnittgerten beschrieben. 6.2.2 Antastkraft Fr przise Dickenmessungen muss die Antastkraft Ftip des Messgertes bestimmt werden und ein konstanter Kontakt zur Messoberflche whrend der Messung muss durch eine entsprechende Wahl der Vorschubgeschwindigkei

44、t vtipgewhrleistet werden. ANMERKUNG Bei zu geringer Antastkraft oder zu hoher Vorschubgeschwindigkeit kann die Tastspitze von der Oberflche abheben. DIN 32567-3:2014-10 8 Je grer die Antastkraft, desto tiefer dringt im Allgemeinen die Tastspitze in das zu messende Material ein. Die Eindringtiefe is

45、t darber hinaus abhngig von den Materialeigenschaften. Im Anhang A werden unter A.2 und A.3 zwei Verfahren zur Messung der Antastkraft von Tastschnittgerten beschrieben. 6.2.3 Tastspitzenradius Fr przise Schichtdickenmessungen muss der Tastspitzenradius rtipbestimmt werden. Der Tastspitzenradius beg

46、renzt die Gre der lateralen Oberflchenstrukturen, die noch aufgelst werden knnen. Laterale Strukturen, die schmaler als der Tastspitzenradius sind, lassen sich nicht mehr korrekt messen. Das hier empfohlene Verfahren zur Bestimmung des Tastspitzenradius verwendet Profilmessungen an Rechteck-Gitterno

47、rmalen unterschiedlicher Periodenlnge des Typs B1 von DIN EN ISO 5436-1. Ein solches Gitternormal mit rechteckigen Gitterabschnitten ist zusammen mit der kugelfrmigen Tastspitze eines Profilometers in den Bildern 2 und 3 dargestellt. Legende 1 Tastspitze 2 Rechteckgitter FtipAntastkraft rtipRadius d

48、er Tastspitze H0Gitterhhe h Amplitude des Tastprofils b Breite der Tastspitze L Gitterkonstante vtipVorschubgeschwindigkeit der Tastspitze Bild 2 Taster mit kugelfrmiger Tastspitze whrend der Messung einer Rechteckgitterstruktur Legende X in nm Z in nm Bild 3 Simuliertes Tastprofil einer 2 m Tastspitze fr die Messung einer Rechteckgitterstruktur mit L = 2,5 m und H0= 190 nm DIN 32567-3:2014-10 9 Aus der Gitterkonstanten L und der Amplitude h des Tastprofils der Gitterstruktur (siehe Bild 3) kann der Radius rtipder Tastspitze geometrisch berechnet werden. Es gilt: hhLr2)4/(22tip+=