DIN 32567-4-2015 Production equipment for microsystems - Determination of the influence of materials on the optical and tactile dimensional metrology - Part 4 Specimen for optical .pdf

1、Juni 2015DEUTSCHE NORM DIN-Normenausschuss Feinmechanik und Optik (NAFuO)Preisgruppe 9DIN 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!%BZv“2315583www.din.deDDIN 3256

2、7-4Fertigungsmittel fr Mikrosysteme Ermittlung von Materialeinflssen auf die optische und taktiledimensionelle Messtechnik Teil 4: Prfkrper fr optische VerfahrenProduction equipment for microsystems Determination of the influence of materials on the optical and tactile dimensionalmetrology Part 4: S

3、pecimen for optical proceduresquipements de production pour systmes microtechniques Dtermination de linfluence des matriaux sur la mtrologie dimensionnelle optique ettactile Partie 4: Spcimen pour les procds optiquesAlleinverkauf der Normen durch Beuth Verlag GmbH, 10772 Berlin www.beuth.deGesamtumf

4、ang 13 SeitenDIN 32567-4:2015-06 2 Inhalt Seite Vorwort 3 Einleitung .4 1 Anwendungsbereich .5 2 Normative Verweisungen 5 3 Begriffe .5 4 Anforderungen an die Prfkrper 5 4.1 Allgemeines 5 4.2 Anforderungen an die Abmessungen der Schicht .6 4.3 Anforderungen an Ebenheit, Welligkeit und Rauheit von Sc

5、hicht und Substrat 7 4.3.1 Allgemeines 7 4.3.2 Konstanz der Schichtdicke .7 4.3.3 Ebenheit des Substrates .7 4.3.4 Welligkeit des Substrates .7 4.3.5 Rauheit des Substrates .7 5 Prfkrper fr topographische Schichtdickenmessungen .7 5.1 Allgemeines 7 5.2 Prfkrper Typ A8 5.2.1 Allgemeines 8 5.2.2 Schic

6、htsysteme9 5.2.3 Referenzobjekte 10 5.3 Ergnzende Testobjekte fr optische Verfahren . 11 5.3.1 Testobjekt O1 zur Bestimmung der effektiven numerischen Apertur . 11 5.3.2 Testobjekt O2 zur Bestimmung der elektromagnetischen Oberflche in einem volumenstreuenden Material . 11 5.3.3 Testobjekt O3 zur Be

7、stimmung des Phasensprungs bei Reflexion 12 Literaturhinweise . 13 DIN 32567-4:2015-06 3 Vorwort Dieses Dokument wurde vom Arbeitsausschuss NA 027-03-03 AA Fertigungsmittel fr Mikrosysteme“ im DIN-Normenausschuss Feinmechanik und Optik (NAFuO) erarbeitet. DIN 32567 Fertigungsmittel fr Mikrosysteme E

8、rmittlung von Materialeinflssen auf die optische und taktile dimensionelle Messtechnik besteht aus: Teil 1: Qualitative Abschtzung der material- und verfahrenspezifischen Einflsse Teil 2: Prfkrper fr taktile Verfahren Teil 3: Ableitung von Korrekturwerten fr taktile Messgerte Teil 4: Prfkrper fr opt

9、ische Verfahren Teil 5: Ableitung von Korrekturwerten fr optische Messgerte Es wird auf die Mglichkeit hingewiesen, dass einige Elemente dieses Dokuments Patentrechte berhren knnen. Das DIN und/oder die DKE sind nicht dafr verantwortlich, einige oder alle diesbezglichen Patentrechte zu identifiziere

10、n. DIN 32567-4:2015-06 4 Einleitung Ziel der vorliegenden Norm ist die Empfehlung von Prfkrpern fr die Bestimmung der systematischen Abweichungen topographischer Schichtdickenmessungen fr den Fall, dass Schicht und Substrat unterschiedliche physikalische Eigenschaften aufweisen. Bei topographischen

11、Schichtdickenmessungen stellt sich die Schicht als Hhenstufe zum darunter liegenden Substrat dar. Dieser Teil der Norm beschreibt Anforderungen an einen Prfkrper, mit dem die systematischen Abweichungen von optischen Oberflchenmessgerten bestimmt werden knnen. Es wird ein beispielhafter Prfkrper mit

12、 unterschiedlichen Kombinationen von transparenten und hoch reflektierenden Schichten beschrieben. Zustzlich werden ergnzende Testobjekte beschrieben, welche die Bestimmung weiterer Eigenschaften von Messgert und zu untersuchendem Material ermglichen (effektive Numerische Apertur, optische Oberflche

13、 Phasensprung bei Reflexion). DIN 32567-4:2015-06 5 1 Anwendungsbereich DIN 32567 beschreibt 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 Ver

14、fahren fest, mit denen durch Materialeigenschaften und Messverfahren verursachte systematische Messabweichungen ermittelt und korrigiert werden. Dieser Teil der DIN 32567 beschreibt Prfkrper fr topografische Schichtdickenmessungen mit optischen Verfahren zur Untersuchung der systematischen Effekte,

15、die auftreten, wenn Schicht und Substrat unterschiedliche physikalische Eigenschaften aufweisen. 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 Verweisungen gilt nur

16、 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 Teil 1: Allgemeine Begriffe der Mikrosystemtechnik DIN 32567-1, Fertigungsmittel fr Mikrosys

17、teme Ermittlung von Materialeinflssen auf die optische und taktile dimensionelle Messtechnik Teil 1: Qualitative Abschtzung der material- und verfahrensspezifischen Einflsse DIN 32567-2:2014-10, Fertigungsmittel fr Mikrosysteme Ermittlung von Materialeinflssen auf die optische und taktile dimensione

18、lle Messtechnik Teil 2: Prfkrper fr taktile Verfahren 3 Begriffe Fr die Anwendung dieses Dokuments gelten die Begriffe nach DIN 32564-1 und DIN 32567-1. 4 Anforderungen an die Prfkrper 4.1 Allgemeines Fr topographische Schichtdickenmessungen mit optischen Messverfahren ergeben sich Anforderungen an

19、die Abmessungen der Schicht, wie Mindestdicke, Breite und Lnge und an die Ebenheit, Welligkeit und Rauheit der Oberflchen von Schicht und Substrat. Werden diese Anforderungen nicht erfllt, so lsst sich die systematische nderung der Schichtdicke nicht przise bestimmen. DIN 32567-4:2015-06 6 4.2 Anfor

20、derungen an die Abmessungen der Schicht Legende 1 Messprofile 2 Schicht 3 Substrat ypSpurabstand Bild 1 Mindestmae fr die Schichtbreite w und -lnge l fr topographische Schichtdickenmessungen mit optischen Verfahren Die Anforderungen an die Mindestdicke der zu untersuchenden Schicht sind vom eingeset

21、zten optischen Messsystem abhngig. Die Dicke muss so gro sein, dass das Messsystem die obere und untere Grenzflche transparenter Materialien eindeutig trennen kann. Bei volumenstreuenden Materialien muss die Mindestdicke der Schicht grer sein als die Eindringtiefe des Lichts. Sollen zustzlich zu den

22、 Messungen mit optischen Verfahren taktile Referenzmessungen durchgefhrt werden, gelten zustzlich zu den im Folgenden genannten die Anforderungen aus DIN 32567-2:2014-10, 4.2.1. Fr topographische Schichtdickenmessungen muss die Breite w der Schicht (siehe Bild 1) mindestens dem 15-fachen des Lichtfl

23、eckdurchmessers dspotentsprechen: spotdw 15min= (1) Bei optischen Stufenmessungen darf der Aperturkegel der Optik nicht abgeschattet werden. Bei groer numerischer Apertur muss daher die untere Stufe eine ausreichende Breite haben. Als Mindestabstand zwischen den Schichten wird die Hlfte der Schichtb

24、reite empfohlen. Um den Einfluss von Schichtinhomogenitten zu erfassen, mssen mehrere nebeneinander liegende Profile im geeigneten Spurabstand ypgemessen werden. Die erforderliche Lnge l der Schicht (siehe Bild 1) muss mindestens lminbetragen. Diese Mindestlnge ergibt sich aus der Anzahl n der zu me

25、ssenden Profile, dem Spurabstand yp, sowie den Randbereichen jeweils der Lnge 5 dspot, in denen keine Messung erfolgen sollte: spotpmin10)1( dynl += (2) DIN 32567-4:2015-06 7 4.3 Anforderungen an Ebenheit, Welligkeit und Rauheit von Schicht und Substrat 4.3.1 Allgemeines Die Ebenheit, Welligkeit und

26、 Rauheit von Substraten wird durch aufgetragene Schichten verndert. Durch die Auswertung von linker und rechter Kantenhhe wirken sich aber Ebenheitsabweichungen des Prfkrpers wesentlich geringer aus. Nur innerhalb des Bereichs, in dem die Kantenhhe bestimmt wird, muss die Schichtdicke konstant sein.

27、 Eine Welligkeit des Substrates hat daher einen geringen Einfluss auf die gemessene Schichtdicke. Die Rauheit des Substrates kann durch das Aufbringen einer Schicht verndert werden. Bei ausreichender Breite w der Schicht kann die Schichtdicke ber einen lngeren Bereich gemittelt werden und damit dies

28、er Streinfluss reduziert werden. 4.3.2 Konstanz der Schichtdicke Wichtigste Anforderung an den Prfkrper ist eine lokal konstante Schichtdicke. Die Variation der Schichtdicke d auf dem Prfkrper muss kleiner als 2 % sein. 4.3.3 Ebenheit des Substrates An die Ebenheit des Substrates werden keine besond

29、eren Anforderungen gestellt. 4.3.4 Welligkeit des Substrates Die Welligkeit des Substrates kann die gemessene Schichtdicke dmbeeinflussen. Sie darf daher im Bereich der zu messenden Schichten und in den benachbarten Bereichen einen Wert von 2 % der Schichtdicke d nicht berschreiten. 4.3.5 Rauheit de

30、s Substrates Der arithmetische Mittenrauwert des Substrates muss kleiner als 2 % der zu messenden Schichtdicke d sein. 5 Prfkrper fr topographische Schichtdickenmessungen 5.1 Allgemeines Im Folgenden wird ein beispielhafter Prfkrper fr topographische Schichtdickenmessungen mit optischen Verfahren be

31、schrieben. Durch eine Oberflchenmessung von Schicht und Substrat und die Auswertung der linken und rechten Kantenhhen oder durch die Ermittlung des Abstands der Ausgleichsgeraden durch die gemessene Oberflche von Substrat und Schicht lsst sich die Schichtdicke dmermitteln (siehe Bild 2). Legende X A

32、bstand in mm Y Hhe in m Bild 2 Mit konfokaler chromatischer Sonde gemessene Schicht auf Substrat. Links: Profil ber vier Streifen, rechts: Messung der Stufenhhe durch Ermittlung des Abstands der Ausgleichsgeraden DIN 32567-4:2015-06 8 Jeder Prfkrper fr topografische Schichtdickenmessungen muss minde

33、stens drei Referenzobjekte enthalten, die eine Kalibrierung der Hhenmessachse erlauben. Wichtigste Eigenschaft der Referenzobjekte ist, dass die Hhenstufe aus dem gleichen Material wie das Substrat realisiert ist, um materialspezifische Einflsse zu vermeiden. Die Hhen der Referenzobjekte mssen an di

34、e Hhen der Testobjekte nach dem Komparatorprinzip angepasst sein, d. h. die Summe der Hhendifferenzen der jeweiligen Referenzobjekte zu den jeweiligen Testobjekten muss minimal sein. Sind an den Testkrpern taktile Referenzmessungen durchgefhrt worden, so muss darauf geachtet werden, die Messungen mi

35、t optischen Verfahren in der Nhe (aufgrund der in Abschnitt 4 genannten Anforderungen an die Schicht), jedoch nicht an derselben Stelle durchzufhren, um eine Beeinflussung durch die Tastspuren zu vermeiden. Jedes Referenzobjekt muss in vier parallelen Profilschnitten gemessen werden. Die Schichtdick

36、e davdes Referenzobjektes muss durch Mittelung der vier Einzelmessergebnisse der Profilschnitte bestimmt werden. Der Kalibrierfaktor K muss aus dem Verhltnis des kalibrierten Referenzwertes der Schichtdicke dRefzur gemittelten gemessenen Dicke davberechnet werden: avfReddK = (3) Die gemessene Schich

37、tdicke dmmuss mit dem Kalibrierfaktor korrigiert werden, um korrekte Schichtdickenmesswerte dm zu erhalten: mm dKd =(4) 5.2 Prfkrper Typ A 5.2.1 Allgemeines Bild 3 Skizze (links) und Photo (rechts) eines Prfkrpers vom Typ A bestehend aus sechs be-schichteten Silizium-Testobjekten und drei Referenzob

38、jekten, aufgeklebt auf einem Glas-Trger-substrat (Nr. 1/Al: Aluminium, Nr. 2/Au: Gold, Nr. 3/Al: Aluminium, Nr.4/Cu: Kupfer, Cr: Chrom Haftvermittlungsschicht, Nr. 5/SU-8 5 2: Polymermaterial, Nr. 6/maP 1215 3: Polymermaterial, R1, R2, R3: Referenzobjekte (Beschreibung siehe 5.2.3) Der hier prsentie

39、rte Aufbau eines Prfkrpers vom Typ A (siehe Bild 3) ist beispielhaft. Der Prfkrper besteht aus sechs Testobjekten mit unterschiedlichen Schichtmaterialien, die streifenfrmig auf ein Silizium- bzw. oxidiertes Siliziumsubstrat aufgebracht sind. Der Prfkrper enthlt zustzliche Referenzobjekte (R1DIN 325

40、67-4:2015-06 9 R3 in Bild 3) zur Kalibrierung der vertikalen Messachse des verwendeten Messgertes. Die Referenzobjekte bestehen ebenfalls aus streifenfrmigen Schichten, sind aber mit einer undurchsichtigen Deckschicht versehen. 5.2.2 Schichtsysteme Als Schichtmaterialien dienen gngige Materialien de

41、r Mikrosystemtechnik. Sie werden mittels Bedampfen, Sputtern und Aufschleudern auf das jeweilige Substrat aufgebracht. Bei Bedarf wird dabei eine haftvermittelnde Zwischenschicht verwendet. Der beispielhaft beschriebene Prfkrper Typ A enthlt die folgenden Materialpaarungen von Schicht und Substrat:

42、Tabelle 1 Schicht-Substrat Materialpaarungen von Prfkrper A Testobjekt Schichtfolge Skizze 1 bedampftes Aluminium (Al) auf thermisch oxidiertem Siliziumdioxid (SiO2) auf Silizium (Si) 2 bedampftes Gold (Au) auf thermisch oxidiertem Siliziumdioxid (SiO2) auf Silizium (Si) 3 gesputtertes Aluminium (Al

43、) auf Silizium (Si) 4 gesputtertes Kupfer (Cu) auf einer Chrom-Haftschicht (Cr) auf Silizium (Si) DIN 32567-4:2015-06 10 Testobjekt Schichtfolge Skizze 5 aufgeschleudertes SU-8 51)2 auf einer Chrom-Haftschicht (Cr) auf Silizium (Si) 6 aufgeschleudertes maP 12151)3 auf einer Chrom-Haftschicht (Cr) au

44、f Silizium (Si) ANMERKUNG Die fr die Testobjekte 5 und 6 angegebenen Schichtdicken sind nicht mit allen Messgerten nutzbar. Teilweise werden deutlich grere Schichtdicken bentigt, um die Signale von Schichtoberseite und Substrat klar trennen zu knnen. 5.2.3 Referenzobjekte Es werden hier beispielhaft

45、e Referenzobjekte beschrieben. Die zu messenden Schichtstreifen haben eine Breite von 30 m und 100 m. Die vier Messstellen (bevorzugte kalibrierte Bereiche“) sind mit gestrichelten Rechtecken markiert. Legende 1 bevorzugte kalibrierte Bereiche 2 Linien mit 100 m und 30 m Breite Bild 4 Referenzobjekt

46、e zur Kalibrierung der vertikalen Messachse 1) SU-8 5 und maP 1215 sind Herstellerbezeichnungen fr Werkstoffe, die auf dem beispielhaft beschriebenen Prfkrper A verwendet wurden. Diese Angabe dient nur zur Unterrichtung der Anwender dieser Norm und bedeutet keine Anerkennung der genannten Produkte d

47、urch DIN. DIN 32567-4:2015-06 11 5.3 Ergnzende Testobjekte fr optische Verfahren 5.3.1 Testobjekt O1 zur Bestimmung der effektiven numerischen Apertur Legende d Schichtdicke 1 metallischer Film 2 Glas (bekannte Dicke, bekannte optische Eigenschaften) Bild 5 Testobjekt O1 zur Bestimmung der effektive

48、n numerischen Apertur Zur Korrektur der systematischen Abweichungen bei fokussierenden optischen Verfahren ist die Kenntnis der effektiven numerischen Apertur AN,efferforderlich, die sich aufgrund von Blenden im weiteren Strahlengang von der Apertur des Objektivs des Messinstruments unterscheiden ka

49、nn. Zur Bestimmung der effektiven numerischen Apertur muss ein transparentes Testobjekt mit bekannten optischen Eigenschaften verwendet werden. Fr das hier beispielhaft beschriebene Testobjekt wird ein Deckglas entsprechend ISO 8255-1 verwendet. Fr die bei diesen Deckglsern verwendete Glasart ist der Brechungsindex ne= 1,525 5