Development of a Traceable Atomic Force Microscope with Interferometer and Compensation Flexure Stage

Chen, Chao-Jung GND

Entwicklung eines ruckfuhrbaren Rasterkraftmikroskops auf der Basis von Interferometern und einer geregelten Einkorperfuhrung Abstrakt Rastersondenmikroskope, zu denen unter anderem Rastertunnelmikroskope (STM) und Rasterkraftmikroskope (AFM) gezahlt werden, werden an vielen Stellen in der Material- und Oberflachenforschung, der Halbleitertechnologie sowie der Biotechnologie angewendet. Sie sind zudem denkbare Werkzeuge der Nanotechnologien, so beispielsweise der Nanolithographie. Zudem konnen sie der Manipulation von Atomen und zur Nanometrologie dienen. Kommerzielle AFM bestehen unter anderem aus einem Laser, Photoempfanger, Regler, Piezoantriebssystem sowie einem Tastsystem. Dabei kommt den Piezoelementen des Antriebssystems besondere Bedeutung zu. Die von Piezoelementen bekannten Nachteile, wie Nichtlinearitat, Hysterese, Alterung, thermische Drift, Kriechen und Ubersprechen, konnen durchaus 20% der Messabweichungen bei Vorwartssteuerung verursachen. Daher sollten AFM, Metrologiestandards entsprechend, zur Reduzierung der Mesunsicherheit regelmasig ruckfuhrbar kalibriert werden. Das Ziel der vorliegenden Arbeit bestand in der Entwicklung eines ruckfuhrbaren Rasterkraftmikroskops (Traceable Atomic Force Microscope, TAFM) zum Einsatz als staatliches Normal zur ruckfuhrbaren Vermessung von Normalen im Nanometer- Bereich fur die taiwanesische Industrie. Das TAFM wurde als Kombination eines kommerziellen AFM, zwei Laserinterferometern, einer aktiv geregelten dreiachsigen Prazisionsfuhrung, einem Metrologierahmen aus Super-Invar, einer Schwingungsdampfung sowie einer temperaturgeregelten Umhausung konzipiert und aufgebaut. Zur Reduzierung des Abbe-Offsets wurden die Interferometer derart angeordnet, dass sich ihre virtuell verlangerten Messstrahlen im Antastpunkt des Cantilevers und damit direkt auf der Probenoberflache im Messpunkt schneiden. Eine einwandfreie Referenzbewegung des Systems wurde durch die eingesetzten Prazisionsfuhrungen sichergestellt, wahrend die direkte Ruckfuhrbarkeit auf die Definition der Langeneinheit ?Meter" durch den Einsatz von zwei Laser- Interferometern erreicht wurde. Die ermittelte erweiterte Messunsicherheit des TAFM fur die laterale Messung einer Lange von 292 nm betrugt bei einer statistischen Sicherheit von 95% unter Berucksichtigung von 29 Freiheitsgraden 2,5 nm. Da die ermittelte erweiterte Messunsicherheit fur laterale Langenmessungen noch nicht zufriedenstellend und die Ruckfuhrbarkeit in Richtung der Z-Achse nicht gewahrleistet ist, soll das TAFM verbessert werden, um perspektivisch eine Messunsicherheit von 0,5 nm in allen drei Messachsen zu erreichen. Dieses Ziel kann zunachst durch den Einbau eines weiteren Laserinterferometers zur Kalibrierung des Messystems der Z-Achse erreicht werden. Zusatzlich sollte die Umhausung statt auf einem Tisch auf dem schwingungsarmeren Boden platziert werden, was das Rauschen der Interferometer auf weniger als 5 nm reduzieren sollte. Ein verstarkter Metrologierahmen, die Verlagerung der Referenzspiegel vom AFM auf die Prazisionsfuhrung und verkurzte Messkreise, die Konstruktion aller Teile aus dem gleichen Material, ein symmetrischer mechanischer Aufbau und der Einsatz einer aktiven Temperaturregelung mit einer Temperaturstabilitat von 20¡Ó0.1 ¢XC sind weitere wichtige Schritte.

Scanning Probe Microscopes (SPMs), generally including such instruments as Scanning Tunneling Microscopes (STMs) and Atomic Force Microscopes (AFMs), have been widely applied to measure engineering surfaces in a variety of fields, such as material sciences, semiconductor industry, and biotechnology. SPMs will also be a potential tool in nanotechnology, for example nanolithography, atom manipulation, and nanometrology. Normally, a commercial AFM consists of a laser, a photo-detector, a controller, a piezo-scanner, and a cantilever tip. The piezo-scanner is critical to the performance of AFMs. The intrinsic properties of piezo-scanners, for instance non-linearity, hysteresis, aging, thermal drift, creep, and coupling effect will result in measurement errors that may reach up to 20 % of the reading. To reduce major measurement errors mentioned above, an AFM should be periodically calibrated with a traceable standard. The goal of my research study was to design a state-of-the-art Traceable Atomic Force Microscope (TAFM) to be used as a primary realization of nanometer scale standards for Taiwan industry. The TAFM was composed of a commercial AFM, two laser interferometers, a 3-axis active compensation flexure stage, a super-Invar metrology frame, a vibration isolator, and a temperature-controlled enclosed box with circulating water. To eliminate the Abbe-offset, the surface-plane of specimens was arranged on the same plane-level to the laser beams emitted by interferometers. The compensation flexure stage was aimed to provide a perfect reference motion mechanism. To achieve the direct traceability to the definition of meter, two interferometers were added to the flexure stage. The TAFM was evaluated to have an expanded uncertainty of 2.5 nm at a confidence level of 95 % and 29 degrees of freedom for a nominal pitch value of 292 nm. Since the expanded uncertainty of pitch measurement is not satisfactory and there is no traceability in the Z direction. The TAFM needs to be improved to meet the requirement of an expanded uncertainty of no more than 0.5 nm at 95 % confidence level at all three axes. The requirement can be achieved by the following improvements: A laser interferometer is added to the flexure stage for Z-height calibration. To reduce the noise of laser interferometer to about 5 nm, the support of the enclosed box is moved from tabletop to the floor. The metrology frame is improved by changing the reference mirrors from AFM to flexure stage, thickening the super-Invar frame, shortening the structure loop and metrology loop, using one material, and realizing a symmetrical mechanism design. The passive temperature control is changed to active temperature control, which will approach an anticipative temperature stability of (20¡Ó0.1) ¢XC in the measuring volume.

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Chen, Chao-Jung: Development of a Traceable Atomic Force Microscope with Interferometer and Compensation Flexure Stage. 2003.

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