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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Anhand
von verschiedenen Ausführungsbeispielen
wird im Folgenden die Erfindung näher erläutert.
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1 schematisch
der Aufbau klassischer 3D-Vermessungseinheiten
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2 schematisch
der Aufbau der erfindungsgemäßen 3D-Vermessungseinheit
in einer Vakuumkammer, hier als Beispiel ein Rasterelektronenmikroskop
bzw. Rasterionenmikroskop
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3 schematisch
der Aufbau der erfindungsgemäßen 3D-Vermessungseinheit
in einer Vakuumkammer, hier als Beispiel eine Aufdampfkammer zur
Beschichtung von Materialien
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4 schematisch
der Aufbau der erfindungsgemäßen 3D-Vermessungseinheit
in einer Vakuumkammer, hier als Beispiel eine Analysenkammer
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5 schematisch
der Aufbau der erfindungsgemäßen 3D-Vermessungseinheit
in einer Wafer-Handhabungskammer, die unter Vakuum, Schutzgas oder
als Miniatur-Reinraum betrieben werden kann.
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6 schematisch
das Funktionsprinzip der „Spechtmethode" zur Oberflächenvermessung
entlang einer Linie.
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7 schematisch
das Funktionsprinzip der „Spechtmethode" von 6 zur
Oberflächenvermessung
entlang vieler Linien, sodaß ein
3D-Datensatz der
Oberflächentopographie
entsteht.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.