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tm - Technisches Messen

Plattform für Methoden, Systeme und Anwendungen der Messtechnik

[TM - Technical Measurement: A Platform for Methods, Systems, and Applications of Measurement Technology
]

Editor-in-Chief: Puente León, Fernando / Zagar, Bernhard

12 Issues per year


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ISSN
2196-7113
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Volume 83, Issue 12

Issues

Vergleichsproben aus Silizium für die Flächenrauheit

Vergleichende Messungen der Flächenrauheit mit Konfokalmikroskopen

Silicon reference samples for areal roughness

Comparative measurements of areal roughness by confocal microscopes

Joachim Frühauf / Eva Gärtner / Ludger Koenders / Andre Felgner
Published Online: 2016-11-24 | DOI: https://doi.org/10.1515/teme-2016-0025

Zusammenfassung

Für Vergleiche von Flächenrauheiten mit optischen Messinstrumenten wurden verschiedene Silizium-Vergleichsproben mit Rauheiten zwischen 8 nm < Sa < 1000 nm entwickelt. Durch geeignete geätzte Markierungen ist eine Mikrometer-genaue Positionierung des Messfeldes möglich. Mit zwei unterschiedlichen Konfokal-mikroskopen wurden Messungen zur Überprüfung der Eignung als Vergleichsproben für flächenhafte Rauheitskenngrößen durchgeführt. Dabei wurden messgerätbedingte Faktoren, anwenderspezifische Einflüsse, die zeitliche Stabilität der Oberflächen und die Positioniergenauigkeit des Messfeldes geprüft und deren Einfluss auf die resultierenden Kenngrößen untersucht.

Wie die Messergebnisse eindrucksvoll zeigen, eignen sich die untersuchten Proben als Maßverkörperungen und gestatten durch die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse eine Verwendung als Vergleichsproben oder Normale für flächenhafte Rauheiten über drei Größenordnungen hinweg. Die Rauheitsparameter Sa und Sq zeigen gute Übereinstimmungen und besitzen bei kleinen Rauheiten Abweichungen von einzelnen Nanometern. Bei Proben mit einem Sa Wert von 1000 nm betragen die Abweichungen bis zu ± 4.5%). Die Amplituden-Kennwerte Sp, Sv und damit Sz weisen stärke Abhängigkeiten von der Messfeld-Position und dadurch auch größere Unterschiede auf. Die Reproduktion der Messfeldposition bei großen Rauheiten und allgemein die Oberflächenstabilität der Probe (zeitliche Veränderungen wie z. B. Verunreinigungen und Beschädigungen) sind hierbei entscheidend. Die Verteilungsparameter Ssk und Sku, sowie die räumlichen Parameter Sal und Str stimmen innerhalb ± 12% überein (bis auf wenige Ausnahmen).

Abstract

For the comparison of surface roughness with optical measurement instruments, various silicon reference samples with roughness in the range 8 nm <Sa < 1000 nm have been developed. Special etched silicon marks allow to position the measurement fields with micrometer precision. Measurements have been performed with two different confocal microscopes to assess whether these samples are suitable as reference for surface roughness values. In the course of these investigations, both the instrument-dependent and user-related influencing factors as well as the long-term stability of the sample surfaces have been checked, including their influences on the resulting roughness values.

As the measurement results show convincingly, the investigated samples are suitable as material measures and can – owing to the reproducibility of the results – be used as reference samples or transfer standards for areal roughness over three orders of magnitude. The roughness parameters Sa and Sq agree well and show deviations of a few nanometers for small roughnesses. For samples with Sa values around 1000 nm, the deviations amount to ± 4.5%. The amplitude parameters Sp, Sv and thereby Sz are susceptible to modifications of the surface and thus react significantly showing larger differences. Consequently, the reproduction of measurement positions, especially for large roughnesses and generally the stability of the sample surfaces (long-term modifications such as contamination and damages), are decisive for amplitude values to remain stable. The distribution parameters Ssk and Sku as well as the spatial parameters Sal and Str agree within ± 12% (with a few occasional exceptions).

Schlagwörter: Optische Mikroskopie; Rauheitsmessungen; Konfokalmikroskope; Vergleichsmessungen; reproduzierbare Messfeldpositionierung

Keywords: Optical microscopy; measurement of roughness; confocal microscopy; comparative measurements; comparison of reproducible positioning of the measuring field

Danksagung

Die Autoren danken Herrn Michael Leibnitz, TU Chemnitz, Professur Mikrofertigungstechnik, für die Durchführung eines Teiles der Messungen.

About the article

Joachim Frühauf

Prof. Joachim Frühauf ist Geschäftsführer der SiMETRICS GmbH und war langjähriger Leiter der Fachgruppe Werkstoffe in der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik an der TU Chemnitz. Hauptarbeitsgebiete: Entwurf und Ätzen von Si-Mikrostrukturen, zuletzt speziell für die Längen und Kraftmesstechnik.

SiMETRICS GmbH, 09212 Limbach-Oberfrohna, Telefon: +49 (0)3722/815421

Eva Gärtner

Frau Dr. Eva Gärtner ist Mitbegründerin und Geschäftsführerin der SiMETRICS GmbH. Das Arbeitsfeld der SiMETRICS GmbH umfasst das Design, die Herstellung und die Vermessung von unterschiedlichsten Normalen aus Silizium.

SiMETRICS GmbH, 09212 Limbach-Oberfrohna, Telefon: +49 (0)3722/815421

Ludger Koenders

Ludger Koenders, Fachbereichsleiter Oberflächenmesstechnik, arbeitet seit 1989 in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt, Braunschweig, in der Oberflächenmesstechnik. Forschungsschwerpunkte sind die optische Messtechnik und Rastersondenmikroskopie und deren Anwendung zur Messung von Mikro- und Nanostrukturen.

Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), 38116 Braunschweig, Telefon: +49 (0)531 592 5100

Andre Felgner

Andre Felgner, Technischer Angestellter Oberflächenmesstechnik, arbeitet seit 2008 im Bereich Oberflächenmesstechnik in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt. Arbeitsbereiche und Forschungsschwerpunkte sind die optische Messtechnik im Bereich der Interferenz- und Konfokalmikroskopie und 3D-Rauheitsmesstechnik.

Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), 38116 Braunschweig, Telefon: +49 (0)531 592 5126


Revised: 2016-10-06

Accepted: 2016-10-06

Received: 2016-08-02

Published Online: 2016-11-24

Published in Print: 2016-12-28


Citation Information: tm - Technisches Messen, Volume 83, Issue 12, Pages 681–695, ISSN (Online) 2196-7113, ISSN (Print) 0171-8096, DOI: https://doi.org/10.1515/teme-2016-0025.

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