DE102007035950A1 - 3D-Vermessungseinheit in Vakuumkammern - Google Patents

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Abstract

Die Verkleinerung von 3-D-Vermessungseinheiten, so weit, dass sie in das Standardvolumen von Vakuumkammern passen, führt zu einer so starken Reduktion von Schwingungseinkopplungen, dass ein sinnvoller Betrieb ohne Verwendung massiver oder voluminöser Materialien ermöglicht wird. Dies ermöglicht den Einsatz von 3-D-Vermessungseinheiten in Vakuumkammern mit Präzision bis in den Nanometerbereich. Die Verwendung von Antrieben mit Nanometerpräzision und hohem Feinpositionierbereich ermöglicht eine Messmethode, bei der die Sonde nicht in Kontakt mit der Probe bleiben muss und entlang beliebiger Raumrichtungen gemessen werden kann.

Description

  • Die Erfindung betrifft die Integration von 3D-Vermessungseinheiten in Vakuumkammern, insbesondere betrifft die Erfindung ein Messgerät für die Vermessung von räumlichen Oberflächeneigenschaften mit einem Messbereich im Zentimeterbereich und einer Auflösung im Nanometerbereich nach Anspruch 1–2, das in einer Vakuumkammer, beispielsweise der Vakuumkammer eines Mikroskops, angeordnet werden kann.
  • 3D-Vermessungseinheiten dienen normalerweise dazu, räumliche Oberflächeneigenschaften wie beispielsweise Konturen, Topographie, Rauheiten sowie diverse Koordinaten von Objekten zu vermessen. Die Klasse der 3D-Vermessungseinheiten enthält Messmaschinen, die zumindest einen Teil dieser Parameter bestimmen können. Dies sind beispielsweise Profilometer, Koordinatenmessmaschinen sowie der 3D-Nanofinger des Anmelders. Die Beschränkung auf einen Teil kann beispielsweise auch die Reduzierung auf nur 2 oder eine Dimension betreffen. Der Begriff 3D-Vermessungseinheit soll hier als Oberbegriff verstanden werden, der auch Messmaschinen umfasst, welche in weniger als 3 Dimensionen messen. 3D-Vermessungseinheiten können berührend oder berührungsfrei arbeiten und verschiedene Sensorprinzipien („Sonden” zur Oberflächenvermessung) enthalten.
  • Rastersondenmikroskope im klassischen Sinn haben prinzipiell auch 3D-Vermessungsfähigkeiten, sind aber auf Grund ihres extrem beschränk ten Bildbereichs nicht realistisch zur quantitativen Vermessung größerer Probenbereiche geeignet. Sie werden hiermit explizit aus allen Betrachtungen ausgeschlossen.
  • 3D-Vermessungseinheiten benötigen zum Erreichen sinnvoller Präzision hohe Massen zur Schwingungsisolation, beispielsweise in Form von Granitplatten. Typische Gewichte solcher Systeme liegen zwischen 50 und 2000 kg. Es handelt sich also um sehr große Systeme, die an Luft und in der Regel auf großen massiven Granittischen installiert sind. Daher ist der Gedanke, 3D-Vermessungseinheiten in vergleichsweise extrem viel kleineren Vakuumkammern zu verwenden, die zudem auch nur Materialien enthalten können, die vakuum-tauglich sind, geradezu abwegig. Platz für Schwingungsisolationen oder hohe Massen ist nicht vorhanden.
  • Der Vorteil wäre allerdings immens: Vakuumkammern sind Arbeitsbereiche, in denen eine 3D-Vermessung völlig neue Möglichkeiten in Qualitätskontrolle, Forschung, Entwicklung und Produktion ermöglichen. An den folgenden 5 exemplarischen Beispielen soll ohne Ausschluß vieler weiterer Applikationen die Tragweite dieser Erfindung verdeutlicht werden:
    • 1. In Vakuumkammern, die als Rasterelektronenmikroskop (REM) ausgestattet sind, können 3D-Vermessungen an Proben durchgeführt werden, die mit den Mitteln des REMs untersucht oder bearbeitet werden. Die Kombination beider Techniken bietet eine enorme Bereicherung in der Probencharakterisierung: Die 3D-Vermessung erweitert die Messeigen schaften des REMs, und die hohe Abbildungsauflösung des REM ermöglicht das Abbilden des Probenbereichs, in dem die 3D-Vermessung stattfinden soll. Damit kann die 3D-Vermessung an weit kleineren Objektbereichen sinnvoll stattfinden, als an Luft, da an Luft die schlechte Auflösung von Lichtmikroskopen eine Begrenzung darstellt. Außerdem kann die 3D-Vermessung von Probenstellen erfolgen, die im REM mit den Mitteln des REMs speziell identifiziert wurden. Ein Beispiel hierfür ist ein mittels Röntgenuntersuchung oder EDX identifizierter Fremdkörper in einer Grundmatrix. Das Lichtmikroskop wäre nicht in der Lage solche Fremdkörper zu identifizieren.
    • 2. In Vakuumkammern, die als Rasterionenmikroskop (FIB) ausgestattet sind, können 3D-Vermessungen an Proben durchgeführt werden, die mit den Mitteln der FIB bearbeitet und untersucht werden. Die Kombination beider Techniken bietet eine enorme Bereicherung in der Probencharakterisierung: Die 3D-Vermessung ermöglicht es, die mit Hilfe der FIB auf oder an einer Probe erzeugten Strukturen in der gleichen Vakuumkammer in allen 3 Dimensionen zu vermessen. – Die 3D-Vermessung bietet damit eine neuartige Kontrollmöglichkeit des FIB Prozesses. Auf dem Markt existieren Vakuumkammern, die die beiden Funktionalitäten Rasterelektronenmikroskop (REM) und Rasterionenmikroskop (FIB) in einem Gerät kombinieren. Die Installation einer 3D-Vermessung in einem solchen Kombigerät würde auch alle Vorteile der 3D-Vermessung beider Einzelgeräte kombinieren und in den Anwendungen vervielfachen.
  • Bei obigen Beispielen 1 und 2 handelt es sich also um Mikroskope mit einer Vakuumkammer nach Anspruch 1–3, in der ein Messgerät für die Vermessung von räumlichen Oberflächeneigenschaften mit einem Messbereich im Zentimeterbereich und einer Auflösung im Nanometerbereich angeordnet sind.
    • 3. In Vakuumkammern, die als Aufdampfkammern zur Beschichtung von Proben ausgestattet sind, können 3D-Vermessungen an Probenstrukturen durchgeführt werden, die in der Aufdampfkammer durch Beschichtung erzeugt werden. Die 3D-Vermessung bietet damit eine neuartige Kontrollmöglichkeit des Aufdampfprozesses.
    • 4. In Vakuumkammern, die als Reinstraumkammern ausgestattet sind und unter Vakuumbedingungen oder unter Schutzgasen betrieben werden können, findet die Handhabung, Vermessung und Verarbeitung von hochempfindlichen Gütern statt. Dies sind beispielsweise Wafer oder andere Komponenten der Halbleiterfertigung bis hin zu komplexen Geräten wie ganze Festplatten, welche in diesen Vakuumkammern gefertigt werden. Die Integration der 3D-Vermessungen bietet für all diese Applikationen ein weiteres wichtiges Prüfmittel, welches bisher in solcher Umgebung nicht zur Verfügung stand.
    • 5. In all diesen Kammern können 3D-Vermessungseinheiten unter anderem prinzipiell folgende Meßaufgaben erfüllen: – Identifikation von Objekthöhen und Registrierung im globalen Koordinatensystem der Kammer. Zur Zeit werden dafür Lasermeßgeräte verwendet, die 100–1000 fach ungenauer sind. – Messen von Höhenunterschieden wie Stufen oder Ermittlung von Dicken per Differenzmessung, – Profile entlang von Objektoberflächen – 3 dimensionale Oberflächenprofile – Innere und äußere Objektkonturen – Ermittlung von Objekt-Dimensionen wie beispielsweise Abstände, Winkel, Durchmesser, Schnittpunkte und diverse Koordinaten – Vermessung von Objekt-Rauheiten entlang obiger Bahnen oder Flächen
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, 3D-Vermessungseinheiten derart weiter zu bilden, dass sie in vergleichsweise kleinen Vakuumkammern verwendet werden können. Vorteilhaft sind Vakuumkammern nach Anspruch 1–4 mit einem freien Innenvolumen mit einer Kantenlänge kleiner 30 cm, vorzugsweise kleiner 20 cm, und mit einem darin angeordneten Messgerät für die Vermessung von räumlichen Oberflächeneigenschaften mit einem Messbereich im Zentimeterbereich und einer Auflösung im Nanometerbereich.
  • Diese scheinbar unlösbare Aufgabe enthält unter anderem zwei Problemstellungen: Eine 3D-Vermessungseinheit, die so klein ist, dass sie in das Standardvolumen von Vakuumkammern passt, sowie das Verhindern von Schwingungseinkopplungen ohne Verwendung massiver oder voluminöser Materialien im Kammerinneren.
  • Überraschenderweise stellte sich in Versuchen und Berechnungen heraus, dass ein starker Zusammenhang zwischen den Abmessungen eines Systems und seiner Schwingungsempfindlichkeit besteht. Dieser Zusammenhang ist erst wirkungsvoll, wenn die Abmessung eines Systems weit kleiner werden als die von konventionellen 3D-Vermessungseinheiten.
  • Entgegen der allgemeinen Erkenntnis, dass Schwingungsentkopplung nur durch hohe Massen zu erreichen ist, wurde erfindungsgemäß eine funktionstüchtige Integration von 3D-Vermessungseinheiten durch eine Verkleinerung ermöglicht. Unter Verkleinerung ist hierbei die Realisierung einer ausreichend kleinen Version zu verstehen. Diese Verkleinerung führt unterhalb einer bestimmten Baugröße von ca. einem Volumen von 50 × 50 × 50 cm3 bereits zu einer merklichen Schwingungsunempfindlichkeit. Werden die Abmessungen halbiert, so reduziert sich die Schwingungsempfindlichkeit um den Faktor 16.
  • Besonders vorteilhaft in der Praxis ist, die Verkleinerung so weit zu treiben, dass die Präzision der 3D-Vermessungseinheit im Nanometerbereich liegt. Vakuumkammern sind zwar schon an sich relativ groß und schwer, bilden also selber baubedingt eine gewisse Schwingungsentkopplung zur Umgebung. Manche Versionen haben sogar eine eigene Schwingungsdämpfung. Diese Art der Entkopplung ist jedoch nicht für 3D-Vermessungseinheiten optimiert worden und reduziert nur vorbereitend die direkte Einkopplung diverser grober Störungen von außen. Die Verkleinerung der 3D-Vermessungseinheit schafft die Schwingungsunempfindlich keit der Messeinheit an sich, sodass bis zu sub-nm Auflösung erreicht werden kann, was dem Stand der Technik von Profilometern an Luft entspricht und um ein vielfaches besser ist als die Präzision von klassischen Koordinatenmessmaschinen.
  • Anhand von verschiedenen Ausführungsbeispielen wird im Folgenden die Erfindung näher erläutert.
  • 1 schematisch der Aufbau klassischer 3D-Vermessungseinheiten
  • 2 schematisch der Aufbau der erfindungsgemäßen 3D-Vermessungseinheit in einer Vakuumkammer, hier als Beispiel ein Rasterelektronenmikroskop bzw. Rasterionenmikroskop
  • 3 schematisch der Aufbau der erfindungsgemäßen 3D-Vermessungseinheit in einer Vakuumkammer, hier als Beispiel eine Aufdampfkammer zur Beschichtung von Materialien
  • 4 schematisch der Aufbau der erfindungsgemäßen 3D-Vermessungseinheit in einer Vakuumkammer, hier als Beispiel eine Analysenkammer
  • 5 schematisch der Aufbau der erfindungsgemäßen 3D-Vermessungseinheit in einer Wafer-Handhabungskammer, die unter Vakuum, Schutzgas oder als Miniatur-Reinraum betrieben werden kann.
  • 6 schematisch das Funktionsprinzip der „Spechtmethode" zur Oberflächenvermessung entlang einer Linie.
  • 7 schematisch das Funktionsprinzip der „Spechtmethode" von 6 zur Oberflächenvermessung entlang vieler Linien, sodaß ein 3D-Datensatz der Oberflächentopographie entsteht.
  • 8 schematisch das Funktionsprinzip der „Spechtmethode" zur Oberflächenvermessung entlang einer Innenkontur. Dieser Algorithmus funktioniert analog auch entlang einer beliebig geformten Außenkontur. Ob die Sonde sich bei diesem Algorithmus der Probe nähert, oder die Probe der Sonde, oder beides macht im Prinzip keinen Unterschied. Werden analog zu 7 viele Scans nebeneinander durchgeführt, so kann ein 3D-Datensatz von Innen- oder Außenkonturen erstellt werden.
  • Vorteilhaft ist die Integration von 3D-Vermessungseinheiten in Vakuumkammern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die 3D-Vermessungseinheit entsprechend verkleinert wird. Die Verkleinerung von 3D-Vermessungseinheiten beinhaltet die Verkleinerung Ihrer Hauptbestandteile, den Antrieben, dem Sensor zur Vermessung der Oberfläche – im Folgenden „Sonde" genannt – sowie den zum Gerät führenden mechanischen Konstruktionen und der elektrischen Versorgung. Die Antriebe dienen dazu, die zu untersuchenden Probenbereiche in den Meßbereich der Sonde zu bringen. Ob dabei Sonde und/oder Probe bewegt werden spielt keine Rolle. Soll auch noch die Präzision der 3D-Vermessungseinheit im Nanometerbereich liegen, so kommen als Antriebe nur Aktoren in Frage, die Nanometer-Präzision haben. Solche Antriebe enthalten in der Regel piezoelektrische Stellelemente, die bis zu sub-Nanometer Bewegungsauf lösung haben, aber nur über einen maximalen Hub von einigen 100 Mikrometern verfügen. Für die 3D-Vermessung auf der mm- bis cm-Skala ist also ein weiteres Antriebselement notwendig. Dies kann ein klassischer Motorantrieb sein, welcher in der Regel zu einer großen Bauform bei geringer Präzision führt. Oder es wird ein Piezoantrieb verwendet, welcher neben dem Feinpositionierbereich des Piezos auch über eine Art Schrittmotormodus zur Überbrückung der großen Strecken verfügt. Typische Varianten sind Piezo-getriebene Trägheitsantriebe, Wanderwellenantriebe, Pulswellenantriebe, sog. Krabbler, oder klammernde Läufer nach dem Inchworm-Prinzip. Diese Antriebe sind klein und verfügen über eine hohe Bewegungsauflösung.
  • Es ist gängige Meinung, daß solche Antriebe ungeeignet sind für Oberflächenvermessungen, denn sie haben laut dieser Meinung zwei Probleme:
    • 1. Solche Antriebe haben keine auch nur annähernd ausreichende Absolutpositioniergenauigkeit. Damit entfällt bereits ein Profilometerartiger Betrieb mit einer präzisen Fahrachse und einer höhenmessenden Sonde, welche ähnlich wie die Nadel eines alten Schallplattenspielers in ständigem Kontakt mit der Probe bleibt. Abhilfe für dieses erste Problem würden Positionssensoren mit Auflösung im Bereich einzelner Nanometer und vielen Zentimetern Arbeitsbereich schaffen, die es ermöglichen, absolut zu positionieren und ihre Sondendaten auch absoluten Orten zuzuordnen.
    • 2. Selbst wenn solche Antriebe über Positionssensoren entlang ihrer Bewegungsrichtung präzise genug positioniert werden können, bleiben Achsfehler, die für die Positionssensoren nicht sichtbar sind (Nicken, gieren, neigen, kriechen, thermische Drift, Welligkeit, ....) und daher nicht kompensiert werden können. Die Kopplung von mehr als einem Antrieb zur Messung von Profilen mit Nanometer Präzision wird daher als undurchführbar angesehen, was der Markt der existierenden nur einachsigen Profilometer beweist. Eine Kopplung von drei Antrieben für die Vermessung von 3D-Flächen klingt daher geradezu absurd. An mehr als drei Antriebe, beispielsweise zur ebenso präzisen Rotation für die Erstellung eines 3D-Datensatzes durch Messung von mehreren Seiten, oder für die Messung mit mehreren Sonden im gleichen Koordinatensystem wagt niemand zu denken. Die Messung der mit allen Fehlern behafteten Bewegung der Sonde selber in allen Raumrichtungen inklusive Ihrer Verkippung ist technisch nicht realisierbar. Also scheidet auch dieser antriebsunabhängige Ansatz aus.
  • Es ist im allgemeinen nicht bekannt, daß es Antriebe gibt, die beide obigen Probleme gleichzeitig lösen, nämlich die Nanorobotik-Module des Anmelders. Sie bieten eine Positionsauflösung besser 1 Nanometer und enthalten bereits Positionssensoren mit Auflösung im Bereich einzelner Nanometer bei vielen Zentimetern Arbeitsbereich. Diese Module sind vakuumtauglich und vom Design her bereits thermisch kompensiert aufgebaut. Diese Module ermöglichen die Erstellung eines Messgeräts für die Vermessung von räumlichen Oberflächeneigenschaften mit einem Messbe reich im Zentimeterbereich und einer Auflösung im Nanometerbereich nach Anspruch 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass das Meßgerät piezoelektrisch getriebene Antriebe und Positionssensoren mit Nanometer-Auflösung enthält. Die oben genannten für die Positionssensoren nicht sichtbaren Achsfehler reduzieren sich auf Grund der extrem kleinen Baugröße von wenigen Zentimetern und auf Grund von verwendeten extrem genauen Führungen ebenfalls auf ein genügend kleines Maß. Diese inhärenten Vorteile fallen im Markt nicht auf, da sie für die meisten Applikationen, bei denen es lediglich um eine Widerholgenauigkeit geht, nicht von Bedeutung sind. Die Verwendung solch präziser Antriebe in 3D-Vermessungseinheiten ermöglicht erstmals die Messung in allen Raumrichtungen über große Strecken mit Nanometer-Präzision. Die Bindung der Messung entlang genau einer präzisen Fahrachse wie bei klassischen Profilometern entfällt damit.
  • Vorteilhaft ist es, ein Messgerät für die Vermessung von räumlichen Oberflächeneigenschaften mit einem Messbereich im Zentimeterbereich und einer Auflösung im Nanometerbereich nach Anspruch 1–6, so auszulegen, dass die Antriebe des Meßgeräts thermisch kompensiert aufgebaut sind und Achsfehler wie Nicken, Rollen, Neigen, Gieren sowie Welligkeiten durch Verkleinerung des Designs sowie durch Wahl präzisester Führungen, auf den Nanometerbereich reduziert sind.
  • Dies ist bereits eine weitreichende technische Verbesserung und schafft eine neue Geräteklasse zwischen Profilometern und Koordianten meßmaschinen, die die Vorteile beider Systeme vereint. Auch erfüllen die kleinen Abmessungen der Antriebe bereits viele notwendige Bedingungen für den Einsatz in einer Vakuumkammer: akzeptabel kleine Achsfehler und genügend reduzierte Schwingungseinkopplung. Allerdings bleibt es bis hier bei dem Stand der Technik, daß die zu verwendenden Sonden immer noch extrem robust sein müssen, also nur senkrecht zur Probe hochauflösend arbeiten und lateral stumpf sind. Diese Einschränkung wird ebenfalls im Rahmen dieses Patents behoben:
    Ziel ist die mögliche Verwendung von Sonden, die auch lateral bis zu einzelnen Nanometern Auflösung haben. Solche Sonden sind entweder berührungslose Sonden, die aber extrem nah an der zu vermessenden Oberfläche arbeiten, oder berührende „taktile" Sonden, die in Kontakt mit der zu vermessenden Probe treten. Allerdings müssen diese Sonden am Ende nahe der Probe so klein sein wie die gewünschte laterale Auflösung: Vorausgesetzt die Sonde und/oder die Probe wird mit genügender Auflösung positioniert, so bestimmt der Durchmesser der Sonde die laterale Ortsauflösung der Messung. Eine Meßauflösung von 10 nm erfordert also einen Spitzendurchmesser der Sonde in der gleichen Größenordnung. Damit ist klar, daß lateral hochauflösende Sonden auch extrem empfindlich sind. Zwei Gründe verhindern bisher den Einsatz solch empfindlicher Sonden:
    • a) Alle Antriebe erzeugen Prinzip-bedingt Vibrationen während des Betriebs über Strecken, die größer sind als ihr vibrationsfreier Feinpositionierbereich. Diese. Vibrationen erzeugen Relativbewegungen zwischen Sonde und zu vermessender Probe, die mit hoher Wahrscheinlichkeit zur Zerstörung der Sonde führen oder die Probe ungewollt modifizieren. Jegliche Dämpfungssysteme, die die Antriebe von Sonde und Probe abkoppeln, verursachen allerdings eine Verfälschung der Messergebnisse beispielsweise durch ein Kriechen der Dämpfung, thermische Ausdehnung der Dämpfung, oder durch ein Verschleifen der Vibration in eine langsamere undefinierte Bewegung. Außerdem verursachen Dämpfungen Vakuumprobleme durch Ausgasen elastischer Komponenten oder beispielsweise durch spontanes Verdampfen eingeschlossener Luft. Eine Integration von Vibrationsdämpfungen in die 3D-Vermessungseinheit würde also ihre Nanometer-Präzision zerstören und ist vakuumtechnisch zumindest problematisch.
    • b) Selbst wenn es eine Auslegungsart für Antriebe mit Nanometer-Präzision gäbe, die keine Vibrationen auf die Sonde und/oder Probe übertragen, so zerstört alleine schon der reibende Verschleiß während eines im profilometerartigen Betrieb üblichen dauerhaften Kontakt zwischen Sonde und Probe die lateral hochauflösenden Sonden.
  • Die im Folgenden beschriebene „Spechtmethode" beseitigt alle obigen Einschränkungen und bietet dazu noch viele weitere Vorteile. Um das zu erreichen kann man das Messgerät für die Vermessung von räumlichen Oberflächeneigenschaften mit einem Messbereich im Zentimeterbereich und einer Auflösung im Nanometerbereich nach Anspruch 1–7, derart aus legen, dass während der Messung die Messsonde nicht im kontinuierlichen Meß-Kontakt mit der Probe bleibt:
    6 zeigt den Algorithmus zur Oberflächenvermessung entlang einer Linie. Im Bild ist von links nach rechts gezeigt:
    • 1. Annäherung ohne Überschießen,
    • 2. Sonde erkennt Probe: jetzt wird der Positionswert der annähernden Achse gespeichert, optional kann der Wert noch mit dem Sensorwert moduliert werden, was aber nicht zur Erreichen der Meßpräzision notwendig ist.
    • 3. Rückzug um ein frei definierbares Stück,
    • 4. Seitenbewegung um ein frei definierbares Stück, vorzugsweise ebenfalls im geregelten Modus ohne Überschießen mit Bewegungsabbruch bei Kontakt.
  • Ab jetzt Wiederholung dieses Algorithmus. Ob die Sonde sich bei diesem Algorithmus der Probe nähert, oder die Probe der Sonde, oder beides macht im Prinzip keinen Unterschied. Auch kann dieses Funktions-Bild beliebig im Raum gedreht und gekippt werden, die Ausrichtung zur Gravitation spielt keine Rolle.
  • Ziel dieses Algorithmus, der im Ablauf an das Hämmern eines Spechts erinnert, ist es zu verhindern, daß im Moment der Annäherung von Sonde und Probe ein Aktor einen Grobschritt ausführt und dabei die Sonde zerstören kann. Dies gelingt, indem zumindest kurz bevor die Sonde die Probe erreicht keine Achse einen Grobschritt ausführt, zumindest ein Aktor in seinem Feinpositionierbereich den Abstand zwischen Sonde und Probe ohne Überschießen verringert bis die Sonde die Probe „fühlt", oder das Ende des Feinpositionierbereichs erreicht ist. Wenn das Ende des Feinpositionierbereichs erreicht ist ohne daß die Sonde die Probe „fühlt", muß ein Grobschritt erfolgen. Dazu wird der Abstand zwischen Sonde und Probe Mittels Feinpositionierung zu einem Sicherheitsabstand vergrößert, jetzt ein Grobschritt ausgeführt, der Sensor und Probe ein Stück näher zueinander bringt, aber nicht näher als die Größe des gewählten Sicherheitsabstands. Nun kann wieder im Feinpositionierbereich vibrationsfrei angenähert werden. Dieser Algorithmus wird vorzugsweise automatisiert wiederholt bis die Sonde im Feinpositionierbereich die Probe „fühlt". So kann eine Annäherung über viele Zentimeter erfolgen, ohne daß die Sonde „überschießt" und in die Probe rammt.
  • Wenn die Sonde die Probe nicht nur an ihrem der Probe nächsten Ende „fühlt", sondern auch seitlich dazu detektieren kann, so funktioniert dieser Algorithmus auch bei seitlichen Relativbewegungen zwischen Sonde und Probe. Vorteilhaft ist es also, das Messgerät für die Vermessung von räumlichen Oberflächeneigenschaften mit einem Messbereich im Zentimeterbereich und einer Auflösung im Nanometerbereich nach Anspruch 1–8, so auszulegen, dass die Messung mit Sonden, die in mehreren Raumrichtungen sensitiv sind, entlang beliebiger Raumrichtungen erfolgen kann, also nicht auf die Achsrichtung der Aktoren beschränkt ist.
  • 7 zeigt schematisch das Funktionsprinzip der „Spechtmethode" von 6 zur Oberflächenvermessung entlang vieler Linien, so daß ein 3D-Datensatz der Oberflächentopographie entsteht. Vorteilhaft ist es also, das Messgerät für die Vermessung von räumlichen Oberflächeneigenschaften mit einem Messbereich im Zentimeterbereich und einer Auflösung im Nanometerbereich nach Anspruch 1–9, derart auszulegen, dass die Messung Oberflächenkonturen folgen kann und daß durch Reihen von Messungen Oberflächen in mehreren Raumrichtungen abgerastert werden können.
  • Wenn alle Antriebe gleich präzise sind, kann diese 3D-Vermessung in jeder Richtung vorgenommen werden. So kann beispielsweise ein in nm skaliertes 3D-Bild der inneren Oberfläche eines Gewindelochs erstellt werden, von Gewindedurchmessern im mm bis cm Bereich. Solche Funktionalität bieten weder Profilometer noch Koordinatenmeßmaschinen oder Rastersondenmikroskope.
  • Vorteilhaft ist es weiterhin, das Messgerät für die Vermessung von räumlichen Oberflächeneigenschaften mit einem Messbereich im Zentimeterbereich und einer Auflösung im Nanometerbereich nach Anspruch 1–10, derart auszulegen, dass durch Verwendung weiterer Antriebe gleicher Präzision weitere Freiheitsgrade, wie beispielsweise eine Drehung zur Vermessung mehrer Probenbereiche im gleichen Koordinatensystem, geschaffen werden.
  • 8 zeigt das Funktionsprinzip dieser „Spechtmethode" angewendet auf eine beliebig geformte Innenkontur. Es muß sich dabei nicht um einen gleichförmigen Kreis handeln. Dieser Algorithmus funktioniert analog auch entlang einer beliebig geformten Außenkontur. Ob die Sonde sich bei diesem Algorithmus der Probe nähert, oder die Probe der Sonde, oder beides macht im Prinzip keinen Unterschied. Werden analog zu 7 viele Scans nebeneinander durchgeführt, so kann ein 3D-Datensatz von Innen- oder Außenkonturen erstellt werden
  • Profilometer können nur entlang einer Aktor-Achse messen, Koordinatenmeßmaschinen sind zu ungenau um 3D-Datensätze mit sub-μm Auflösung zu erstellen. Rastersondenmikroskope können nur innerhalb ihres Feinpositonierbereichs messen. Das in dieser Anmeldung vorgestellte Gerät kann bei gleich guten Achsen und einem in allen 3 Raumrichtungen sensiblen Sensor in jeder beliebigen Richtung messen, beispielsweise entlang von Bahnen oder Extremallinien. Vorteilhaft ist die Auslegung des Messgeräts für die Vermessung von räumlichen Oberflächeneigenschaften mit einem Messbereich im Zentimeterbereich und einer Auflösung im Nanometerbereich nach Anspruch 1–11, derart dass mit geeigneten Sonden Oberflächenkonturen, Innenkonturen von Hohlräumen, Unterschneidungen, Außenkonturen, Extremallinien, tiefe Gräben oder scharfe Schneiden mit Nanometerpräzision in bis zu drei Dimensionen vermessen werden können.
  • Damit entfällt zum Beispiel die mühsame und nie perfekte Ausrichtung der Probe entlang der Profilometer-Fahrachse. Selbst Rauheiten auf dem Boden eines extrem engen langen Grabens können vermessen werden. Ein Profilometer würde nur über eine kurze Strecke im Graben bleiben, da die Probe mit vertretbarem Aufwand nicht genau genug zu seiner Fahrachse ausgerichtet werden kann. Vorteilhaft ist es also, ein Messgerät für die Vermessung von räumlichen Oberflächeneigenschaften mit einem Messbereich im Zentimeterbereich und einer Auflösung im Nanometerbereich nach Anspruch 1–13, so auszulegen dass aus den ermittelten Meßdaten Konturen und Dimensionen von Objekten sowie Rauheiten nach diversen Normdefinitionen mit Nanometerpräzision in bis zu drei Dimensionen ermittelt werden können.
  • Vorteilhaft ist weiterhin die Auslegung des Messgeräts für die Vermessung von räumlichen Oberflächeneigenschaften mit einem Messbereich im Zentimeterbereich und einer Auflösung im Nanometerbereich nach Anspruch 1–12, derart dass durch Verwendung mehrerer Sonden beispielsweise Differenzmessungen oder Dickenmessungen möglich werden. Dabei kann mit jeder Sonde eine Seite der Probe vermessen werden. Wird der Abstand der beiden Sonden zueinander einmal vermessen, so lassen sich die Scans der beiden Sonden in das gleiche Koordinatensystem eintragen. Die Differenz der beiden Scans voneinander beschreibt beispielsweise den Abstand der Flächen zueinander. Dies kann als Dickenmessung ausgewertet werden.
  • Selbstverständlich läßt sich die Spechtmethode mit der klassischen Rastermethode verbinden, indem nach Annähern der Sonde an die Probe ein Stück vorzugsweise im Feinpositionierbereich der Aktoren so gerastert wird, daß die Sonde im klassisch geregelten Kontakt mit der Probe bleibt, die Daten dieses Feinrasterns gesammelt werden und dann erst ein Rückzug nach der Spechtmethode erfolgt. Dieses Feinrastern kann in eine oder mehrere Richtungen erfolgen. Auch kann diese Mischmethode beliebig wiederholt werden und bietet möglicherweise eine Steigerung an Geschwindigkeit und/oder Auflösung im Vergleich zur reinen Spechtmethode.
  • Die Spechtmethode ist durch Ihre scheinbare Komplexität absolut nicht naheliegend. Alle Geräte welche ganze Konturen oder gar 3D-Flächen vermessen, bleiben mit der Oberflächensonde im Kontakt mit der Probe und die Sonde mißt die Höhenveränderungen. Das Wort „Kontakt" beschreibt dabei den für das jeweilige Gerät typischen Zustand, der es erlaubt, die Probenoberfläche wahrzunehmen. Dies ist beispielsweise beim Profilometer oder bei der Koordinatenmeßmaschine ein direkter mechanischer Kontakt, beim Rastertunnelmikroskop ein Tunnelstrom im Abstand weniger Angström, beim Rasterkrasftmikroskop ein direkter mechanischer Kontakt oder ein per Regelkreis eingestellter Abstand von wenigen Nanometern, auch schwingende Modi sind möglich. Beispiele für klassisch im Kontakt bleibende Meßgeräte sind sämtliche Profilometer, Rastertunnelmikroskope, Rasterkraftmikroskope und Rasternahfeldmikroskope. Selbst wenn die letzt genannten drei Mikroskope im sogenannten „Konstant Höhen Modus" arbeiten, bleibt deren Sonde im Abstand von einigen Nanometern oder weniger über der Probe schweben und mißt die Variation dieses extrem geringen Abstands. Auch diese Sonden würden bei einem Grobschritt zerstört. Daher können obige Rastersondenmikroskope nicht über Strecken größer als der Feinpositionierbereich ihrer Antriebe messen. Die Spechtmethode löst somit prinzipiell diese Einschränkung obiger Geräte. Die Realisierung der Spechtmethode erfordert die gleichzeitige Erfüllung folgender Eigenschaften:
    Die Präzision der Antriebe muß mindestens so gut wie die gewünschte Präzision der Messung sein. Die meisten der auf dem Markt erhältlichen Antriebe erfüllen diese Bedingung nicht, oder sind zu groß für eine Integration in eine Vakuumkammer. Eine Ausnahme bilden wie oben beschrieben die Nanorobotik-Module des Anmelders. Sie bieten eine Positionsauflösung besser 1 Nanometer, sind wenige Zentimeter groß und Vakuumtauglich.
  • Die Antriebe müssen über einen für die Spechtmethode genügend großen Feinpositionierbereich verfügen, in dem sie keine Vibrationen erzeugen. Auch dies wird von den meisten auf dem Markt erhältlichen Antrieben nicht erfüllt. Eine Ausnahme bilden wieder die Nanorobotik-Module des Anmelders, da deren Feinpositionierbereich von mehr als einem Mikrometer für die Spechtmethode ausreichend ist.
  • Eine Automatisierung der Spechtmethode muß mit einer Geschwindigkeit erfolgen, die zu einer erträglichen Meßzeit der Oberflächenvermessung führt. Da zur Erfassung von 3D-Oberflächenkonturen normalerweise bis zu Millionen Datenpunkte gesammelt werden, wird diese Methode von Experten von vorne herein als zu langsam ausgeschlossen. Umfangreiche Entwicklungen führten jedoch zu einem überraschenden Ergebnis: Wenn die Sonde nicht in Ihrer dafür vorgesehenen Art zur Messung der Oberflächenkontur ausgewertet wird, sondern nur einen Impuls gibt sobald sie einen vordefinierten Signalwert erreicht, so handelt es sich nur noch um die Übermittlung einer Trigger-Information, welche beliebig schnell ausgeführt werden kann. Wird die Weite für den Rückzug von der Probe durch einen adaptiven Algorithmus beispielsweise kontinuierlich an die Probenstrukturgrößen angepaßt, so beschleunigt dies die Messung weiter. Und wenn man auch noch die klassische Zoom-Funktion für die Messungen auf eine neue unkonventionelle Art realisiert, ist die räumliche Vermessung von Oberflächeneigenschaften wie beispielsweise 2D- und 3D-Konturen, Topographie, Rauheiten sowie diverse Koordinatenmessungen an Objekten in für Anwender als normal empfundener Meßzeit möglich: Meßgeräte, die 3D-Datensätze mit vielen Meßpunkten sammeln, scannen den gesamten Meßbereich in der dem Meßgerät eigenen Auflösung ab und sammeln alle Datenpunkte. In diesen Datensatz kann man später per Software zoomen und sich nach Belieben kleine Ausschnitte ansehen. Diese Meßmethode würde bei einem Oberflächenmeßgerät mit 10 nm Auflösung über einen Meßbereich von beispielsweise 50 mm × 50 mm, also 50 Millionen nm × 50 Millionen nm, zumindest Wochen bis Monate dauern. Die Spechtmethode erlaubt eine ganz andere und erheblich effektivere Zoom-Methode: es werden immer nur so viele Punkte im Raum angefahren und vermessen, wie für die Darstellung des gerade interessanten Feldes nötig sind. Zur ersten groben Abbildung einer Münze reichen beispielsweise 100 Punkte in X-Richtung und 20 bis 50 Scans in Y-Richtung, welche schnell gemessen sind. In diesem groben Übersichtsbild kann nun ein kleiner interessanter Ausschnitt gewählt werden, in dem eine neue Messung mit ähnlich wenigen Datenpunkten ähnlich schnell durchgeführt wird. Anstelle vom Software-Zoom in einem immens überdimensionierten Datenfeld wird jeweils nur der interessante Bereich vermessen. Diese Option bietet nur die Spechtmethode. Alle Oberflächenmeßgeräte, die Prinzip-bedingt während der Messung mit dem Sensor hoher Auflösung an der Probenoberfläche bleiben müssen, können größere Strecken oder gar 3D-Profile über große Gebiete nicht in realistischen Zeiten vermessen. Bei der Spechmethode hängt die Meßzeit im Wesentlichen nicht von dem Meßbereich ab, sondern von der Anzahl der zu messenden Punkte. Dies ist ein extremer Unterschied zu klassisch rasternden Geräten, deren Meßzeit hauptsächlich von der Meßstrecke abhängt.
  • Vorteilhaft ist weiterhin, daß dieses Messgerät für die Vermessung von räumlichen Oberflächeneigenschaften mit einem Messbereich im Zentimeterbereich und einer Auflösung im Nanometerbereich nach Anspruch 1–14 mit all seinen technischen Vorzügen auch außerhalb des Vakuums verwendet werden kann und damit eine völlig neuartige Geräteklasse zur 1 bis 3 dimensionalen Oberflächenvermessung, Rauheits- und Koordinatenbestimmung darstellt.

Claims (14)

  1. Integration von 3D-Vermessungseinheiten in Vakuumkammern, dadurch gekennzeichnet, dass die 3D-Vermessungseinheit entsprechend verkleinert wird.
  2. Messgerät für die Vermessung von räumlichen Oberflächeneigenschaften mit einem Messbereich im Zentimeterbereich und einer Auflösung im Nanometerbereich, das in einer Vakuumkammer eines Mikroskops angeordnet werden kann.
  3. Mikroskop mit einer Vakuumkammer, in der ein Messgerät für die Vermessung von räumlichen Oberflächeneigenschaften mit einem Messbereich im Zentimeterbereich und einer Auflösung im Nanometerbereich angeordnet ist.
  4. Vakuumkammer mit einem freien Innenvolumen mit einer Kantenlänge kleiner 30 cm, vorzugsweise kleiner 20 cm, und mit einem darin angeordneten Messgerät für die Vermessung von räumlichen Oberflächeneigenschaften mit einem Messbereich im Zentimeterbereich und einer Auflösung im Nanometerbereich.
  5. Messgerät für die Vermessung von räumlichen Oberflächeneigenschaften mit einem Messbereich im Zentimeterbereich und einer Auflösung im Nanometerbereich nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Meßgerät piezoelektrisch getriebene Antriebe und Positionssensoren mit Nanometer-Auflösung enthält.
  6. Messgerät für die Vermessung von räumlichen Oberflächeneigenschaften mit einem Messbereich im Zentimeterbereich und einer Auflösung im Nanometerbereich nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebe des Meßgeräts thermisch kompensiert aufgebaut sind und Achsfehler wie Nicken, Rollen, Neigen, Gieren sowie Welligkeiten durch Verkleinerung des Designs sowie durch Wahl präzisester Führungen, auf den Nanometerbereich reduziert sind.
  7. Messgerät für die Vermessung von räumlichen Oberflächeneigenschaften mit einem Messbereich im Zentimeterbereich und einer Auflösung im Nanometerbereich nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der Messung die Messsonde nicht im kontinuierlichen Meß-Kontakt mit der Probe bleibt.
  8. Messgerät für die Vermessung von räumlichen Oberflächeneigenschaften mit einem Messbereich im Zentimeterbereich und einer Auflösung im Nanometerbereich nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung mit Sonden, die in mehreren Raumrichtungen sensitiv sind, entlang beliebiger Raumrichtungen erfolgen kann, also nicht auf die Achsrichtung der Aktoren beschränkt ist.
  9. Messgerät für die Vermessung von räumlichen Oberflächeneigenschaften mit einem Messbereich im Zentimeterbereich und einer Auflösung im Nanometerbereich nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung Oberflächenkonturen folgen kann und daß durch Reihen von Messungen Oberflächen in mehreren Raumrichtungen abgerastert werden können.
  10. Messgerät für die Vermessung von räumlichen Oberflächeneigenschaften mit einem Messbereich im Zentimeterbereich und einer Auflösung im Nanometerbereich nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch Verwendung weiterer Antriebe gleicher Präzision weitere Freiheitsgrade, wie beispielsweise eine Drehung zur Vermessung mehrer Probenbereiche im gleichen Koordinatensystem, geschaffen werden.
  11. Messgerät für die Vermessung von räumlichen Oberflächeneigenschaften mit einem Messbereich im Zentimeterbereich und einer Auflösung im Nanometerbereich nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit geeigneten Sonden Oberflächenkonturen, Innenkonturen von Hohlräumen, Unterschneidungen, Außenkonturen, Extremallinien, tiefe Gräben oder scharfe Schneiden mit Nanometerpräzision in bis zu drei Dimensionen vermessen werden können.
  12. Messgerät für die Vermessung von räumlichen Oberflächeneigenschaften mit einem Messbereich im Zentimeterbereich und einer Auflösung im Nanometerbereich nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch Verwendung mehrerer Sonden beispielsweise Differenzmessungen oder Dickenmessungen möglich werden.
  13. Messgerät für die Vermessung von räumlichen Oberflächeneigenschaften mit einem Messbereich im Zentimeterbereich und einer Auflösung im Nanometerbereich nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus den ermittelten Meßdaten Konturen und Dimensionen von Objekten sowie Rauheiten nach diversen Normdefinitionen mit Nanometerpräzision in bis zu drei Dimensionen ermittelt werden können.
  14. Messgerät für die Vermessung von räumlichen Oberflächeneigenschaften mit einem Messbereich im Zentimeterbereich und einer Auflösung im Nanometerbereich nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses Messgerät mit all seinen technischen Vorzügen auch außerhalb des Vakuums verwendet werden kann.
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