Topographie- und Schichtdickenmessung

Beim Rasterkraftmikroskop (atomic force microscope, AFM) wird ein ca. 100 µm langer Federbalken mit einer feinen Spitze (typischerweise ca. 10 µm hoch, 10 nm Radius) in Kontakt mit der Probenoberfläche gebracht und über die Oberfläche gerastert. Die Verbiegung des Federbalkens wird dabei durch ein Laser- und Detektorsystem erfasst. Eine Regelschleife erfasst diese Verbiegung und passt die Höhe des Federbalkens während des Scans an um die voreingestellte Verbiegung konstant zu halten. Die Höhenänderung wird für jeden Scan-Pixel aufgezeichnet wodurch eine 3D-Abbildung der Oberfläche entsteht.

Andere Betriebsmodi eines AFMs regen den Federbalken zu einer Schwingung naher seiner Eigenfrequenz an. In diesem Bereich reagiert die Amplitude der Schwingung extrem empfindlich auf Änderung der einwirkenden Kräfte, welche wiederum sehr stark vom Abstand der Spitze zur Oberfläche abhängen. Die Messung erfolgt nun über die Nachregelung der Federbalkenposition um die Amplitude konstant zu halten. Messung können damit entweder komplett kontaktlos erfolgen, oder über ein kontinuierliches Aufsetzen der Spitze auf der Oberfläche.

Abgesehen von den Abbildenden Betriebsmodi können mit eine AFM auch Kraftkennlinien aufgezeichnet werden um z.B. den Elastizitätsmodul eines Substrates zu bestimmen oder Adhäsionskräfte von z.B. Molekülen, biologischen Zellen oder Bakterien zu bestimmen. Zudem können Reibungskräfte untersucht werden. Mit dem Einsatz von entsprechenden Federbalken können auch magnetische oder elektrische Felder abgebildet werden.

Veeco (DI) NanoScope

Das NanoScope ist mit einer Probenkamera ausgestattet, die das Ausrichten des Substrats unter dem Federbalken sehr vereinfacht. Der Standar-Scanner bietet einen Scanbereich von 150 x 150 x 5 µm. Alternativ kann ein High-Precision-Scanner installiert werden, der den Scanbereich auf 0,4 x 0,4 x 0,4 µm beschränkt. Zusätzlich ist eine Nass-Zelle und ein Scanning-Tunneling-Scanner verfügbar.

Bei einem optischen Profilometer wird die Oberfläche nicht mechanisch, sondern mit Hilfe eines fokussierten Lichtstrahls ausgemessen. Das Licht durchläuft im Messkopf eine optische Linse mit so starker chromatischer Aberration, dass die Brennweite im blauen bis roten Bereich des Spektrums um über 300 µm variiert. Wird nun ein Substrat mit dem Messkopf abgerastert befinden sich Erhebungen und Vertiefungen der Oberfläche im Fokus unterschiedlicher Wellenlängen. Das reflektierte Licht wird über die selbe Linse eingesammelt und mit einem Spektrometer analysiert. Da der fokussierte Bereich des Spektrums am stärksten zur Intensität des Mess-Signals beiträgt, kann so der Abstand der Oberfläche zum Messkopf berechnet werden.

FRT MicroProf 100

Das FRT MicroProf 100 ermöglicht eine schnelle und zerstörungsfreie Oberflächenanalyse. Der Verfahrweg der Stage beträgt 100 x 100 mm und erlaubt eine max. Messgeschwindigkeit von 100 mm/s. Die max. Probenhöhe beträgt 50 mm. Der Höhen-Messbereich beträgt max. 300 µm bei einer Auflösung von 10 nm.

In der Ellipsometrie analysiert man die Polarisationsänderung eines an einem Substrat reflektierten Lichtstrahls um die dielektrischen Eigenschaften von Dünnfilmen oder deren Schichtdicke zu bestimmen. Sind die Dünnfilme ausreichend genau definiert können aus den dielektrischen Eigenschaften weitere Rückschlüsse auf die Zusammensetzung, Kristallstruktur, Anisotropie, Leitfähigkeit, Dotierung oder Rauheit gezogen werden.

Für die Analyse wird der einfallende Lichtstrahl zunächst linear polarisiert und auf das Substrat gerichtet. Die Polarisation wird in der Regel im 45° Winkel zur Einfall-Ebene justiert, sodass sich das elektromagnetische Feld des einfallenden Strahls gleichermaßen in einen parallelen und einen senkrechten Anteil aufteilen lässt. Das Verhalten dieser Anteile bei der Reflektion an einem Dünnfilm oder einem Schichtsystem kann durch die Fresnelschen Formeln beschrieben werden.

Ein Analysator detektiert das Amplitudenverhältnis und die Phasenverschiebung der senkrechten und parallelen Anteile im reflektierten Strahl. Neben diesen Messwerten bedarf es noch eines Modellsystems, das aus den bekannten Parametern, z.B. Schichtdicken, über den Dünnfilm oder das Schichtsystem erstellt wird. Die Analyse-Software fittet nun die aus dem Modell noch unbekannten Parameter in den Fresnelschen Formeln solange an, bis die experimentellen Daten mit einem möglichst kleinen Fehler reproduziert werden.

DRE Enhanced EL X-02C

Das EL X-02C ist ein monochromatisches Ellipsometer mit einer Wellenlänge von 632,8 nm (HeNe-Laser) mit einer herausragenden Empfindlichkeit des Enhanced Modells mit 0,001 nm - 0,01 nm für SiO₂ auf Silizium. Der Einfallswinkel kann manuell von 45° - 90° in 5° Schritten eingestellt werden. Schichtdicken können typischerweise von < 1Å bis < 1 mm bestimmt werden, metallische Schichten sind jedoch meist nur bis ca. 100 nm zur Messung im Ellipsometer geeignet.