Photomasken für die Kalibrierung von optischen Messgeräten

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1 Eidgenössisches Justiz- und Polizeidepartement EJPD Bundesamt für Metrologie METAS Photomasken für die Kalibrierung von optischen Messgeräten Felix Meli

2 METAS - Bundesamt für Metrologie 1862 gegründet als Eidgenössische Eichstätte Seit 1967 am heutigen Standort in Wabern bei Bern Über 20 Fachgebiete (Metrologielabors) in rund 200 Räumen mit m 2 Nutzfläche Ca. 140 Mitarbeitende Budget 39 Mio, Erträge 14 Mio (KDG 37%) Neu am METAS: - Labor für Hydrometrie (vorher BAFU) - Labor der Eidgenössischen Alkoholverwaltung (EAV) Nanometrologie METAS 2011/Mf 2

3 Die Hauptaufgaben des METAS Metrologische Grundlagen: Realisierung der SI-Basiseinheiten Forschung und Entwicklung Internationale Zusammenarbeit und Koordination Gesetzliche Metrologie: Handel, Sicherheit, Umwelt und Gesundheit Kalibrier- und Messdienstleistungen: Weitergabe von Masseinheiten an Forschung, Wirtschaft und Industrie Nanometrologie METAS 2011/Mf 3

4 Optisches Messen im Trend Photomaskenmessung Interferenz- Mikroskopie MU: 10 nm, 1 µm 0.1 nm Optische Beugung Mikro-CMM mit Laser- Interferometer 10 pm 20 nm Nanometrologie METAS 2011/Mf 4

5 Optisch gemessene dimensionelle Grössen Verschiebung (Interferometer) l x 1 nm Topograpie (Phasenshiebeinterferometer) h 0.1 nm Strukturabstände (optisches KMG) d 10 nm Strukturbreite (optisches KMG) D 1000 nm Gitterkonstante (Laser-Beugung) Laser nm Nanometrologie METAS 2011/Mf 5

6 Optisch oder tastend? d =? d ref Optisch: Berührungslos schnell 2D Beleuchtungsabhängigkeit Tastend: Antastpunkte genau 3D Für Kalibrierung geeignet Nanometrologie METAS 2011/Mf 6

7 Norm EN ISO Teil Geometrische Produktspezifikation (GPS) Annahme- und Bestätigungsprüfung für Koordinatenmessgeräte (KMG) Teil 7: KMG mit Bildverarbeitungssystemen (ISO :2011) Kap. 6 Annahmeprüfungen und Bestätigungsprüfungen 6.2 Längenmessabweichungen 6.5 Antastabweichung Bewegungssystem Bildverarbeitungssystems Bidirektional Unidirektional bi uni Nanometrologie METAS 2011/Mf 7

8 Norm EN ISO Definitionen Insgesamt sind in dieser Norm 34 Grössen definiert: Bidirektionale Längenmessabweichung E B 3D Unidirektionale Längenmessabweichung E U 3D Längenmessabweichung in der XY-Ebene E BXY, E UXY 2D Längenmessabw. des Bildverarbeitungssystems E BV, E UV Antastabweichung Antastabweichung des Bildverarbeitungssystems P F2D P FV2D Effiziente Verfahren und geeignete kalibrierte Prüfmittel Nanometrologie METAS 2011/Mf 8

9 Norm EN ISO Prüfmittel Kalibrierte Glasmassstäbe: Kalibrierte Photomasken mit 2D-Kalibriergitter: Y Grösse: Mindestens 66% X des Bereichs der kalibrierten Richtung 5 Längen, 7 (4) Positionen, 3 Messungen 105 (60) Messergebnisse 6 x 6 = Ergebnisse Nanometrologie METAS 2011/Mf 9

10 Norm EN ISO Antastabweichung Mit Bewegung: Grösse: Mindestens 150% der kleinsten Achse vom Sichtfeld kleiner als Ø 51 mm 25 Punkte an 25 Lagen des Auswertefensters im Sichtfeld Ohne Bewegung: Grösse: 10% - 30% der kleinsten Achse vom Sichtfeld 25 Punkte, 1 Position 25 Messpunkte auf kalibriertem Prüfkreis Auswertefenster Sichtfeld Prüfkreis Sichtfeld Auswertefenster Die Form der Prüfkreise muss kalibriert sein! Nanometrologie METAS 2011/Mf 10

11 Photomaskenmessgerät Messbereich 400 x 300 mm Differentielle Interferometer Zerodur - Referenzspiegel Digitales Videomikroskop Vakuum - Luftlager Anwendung: Referenz-Glasmassstäbe Kalibriermasken für optische 2D Messgeräte Präzision und Richtigkeit (Rückführbarkeit) = Genauigkeit! Nanometrologie METAS 2011/Mf 11

12 Klimatisierte Reinraumkabine Doppelwandige Reinraumkabine Klasse 100 Temperaturstabilität ± 0.02 C Nanometrologie METAS 2011/Mf 12

13 Führungsfehler und Abbe-Prinzip 6 Freiheitsgrade (3 Verschiebungs- und 3 Drehrichtungen) Verschiebungsfehler in Bewegungsrichtung: Positionsabweichung Verschiebungsfehler quer zur Bewegungsrichtung: Geradheitsabweichung horizontal und vertikal Rotatorische Abweichungen: Rollen, Nicken und Gieren Gieren horizontale Geradheit Rollen Abbeversatz Nicken vertikale Geradheit Bewegung Ohne Abbeversatz messen! Abbe-Prinzip Nanometrologie METAS 2011/Mf 13

14 X-Y Tisch mit Präzisionsführungen * * * straightness < 0.2 µm flatness < 0.2 µm 1 mm Abbe offset ergibt 1 nm Messfehler Nicken und Gieren < 1 µrad Nanometrologie METAS 2011/Mf 14

15 Differenzielles zweiweg Planspiegelinterferometer Interferometer HP A 50x x-y stage Referenzstrahl zum Objektiv Nominell ohne Abbe- Versatz Brechungsindexkompensation mit Edlén Nanometrologie METAS 2011/Mf 15

16 Intensity Intensity Digitale Bildauswertung Subpixelauflösung durch Kantenoperatoren: 20x: x profile x /µm 50x: x profile x /µm Nanometrologie METAS 2011/Mf 16

17 st. dev. /nm Wiederholbarkeit bei Quartzmassstab 400 mm Standardabweichung von 10 Messungen < 5 nm 6 5 ref. first ref. avg x /mm Nanometrologie METAS 2011/Mf 17

18 Die heutige Meterdefinition von 1983 Ein Meter ist die Länge der Strecke, die das Licht im Vakuum während der Dauer von 1/299'792'458 Sekunde zurücklegt. Als mathematische Gleichung formuliert: 1 m = c Dt mit Dt = 1/ s, c = Vakuumlichtgeschwindigkeit Daraus folgt direkt: c = m/s Die Sekunde: Die Sekunde ist das fache der Periodendauer der dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes von Atomen des Nuklids 133 Cs entsprechenden Strahlung. Nanometrologie METAS 2011/Mf 18

19 Rückverfolgbarkeit Rückverfolgbarkeitsschema: I 2 -stab. HeNe Laser (Basis der Länge) Stab. HeNe Laser HP 5508 A Vakuumwellenlänge Stab. HeNe Laser HP 5508 A Effektive Wellenlänge in Luft Interferometrische Positionsmessung des xy-verschiebetisches Brechnungsindex Luft: Luftdruck, Temperatur, Feuchte, CO 2 - Edlen-Formel (Bönsch, PTB) Referenzspiegelsystem: Geradheit und Winkel - Störgrössen: MMM-Führungsfehler, Interferometerausrichtung Optische Strukturdetektion (Mikroskop Kalibrierung) + Strichabstände bzw. Objektkoordinaten auf Photomasken Mikroskop: Störgrössen: Bildverzerrungen, CCD- Drehwinkel, Fokusantrieb Prüfling: Temperatur, Druck - Störgrössen: Ausdehnungskoeffizient, Kompressibilität, Auflagepunkte, Strichqualität, Ebenheit Nanometrologie METAS 2011/Mf 19

20 Messunsicherheitsberechnung Nanometrologie METAS 2011/Mf 20

21 Validierung durch internationale Messvergleiche Resultat Euromet.L-K7 (100 mm Quarzmassstab) Teilnehmer: Metrologieinstitute aus 30 Ländern, Dauer: 2 Jahre METAS Messunsicherheiten zwischen 16 nm und 21 nm (U 95 ) Nanometrologie METAS 2011/Mf 21

22 Y X Photomaskenmessung mit Fehlertrennung Trennen von Maschinenund Masken-Fehler durch Messungen in vier Lagen Y X Rechwinkligkeitsfehler des Messgeräts werden eliminiert. Y X X Y Skalenlinearitätsfehler und Geradheitsfehler werden teilweise kompensiert Einfacher ist es eine kalibrierte Photomaske zu verwenden! Nanometrologie METAS 2011/Mf 22

23 Auswertungsprogramm für Photomaskenmessungen Transformation in optimales Koordinatensystem Berechnung des MPE aus allen möglichen Distanzen zwischen Messkreuzen Skalenfehler Rechwinkligkeitsfehler Geradheiten Rotatorische Abweichungen Download: Nanometrologie METAS 2011/Mf 23

24 Detaillierte Korrekturinformation und Report Download: Nanometrologie METAS 2011/Mf 24

25 Photomaske mit Prüfkreisen Die Form der Prüfkreise muss kalibriert sein! Rundheitsmessung Nanometrologie METAS 2011/Mf 25

26 Rundheit nach ISO Teil 1 und 2 Rundheit: Geometrische Eigenschaft eines Kreises Spitze-zu-Tal-Rundheitsabweichung: RONt Referenzkreis der kleinsten Abweichungsquadrate: LCSI Wellenzahl je Umdrehung : UPR Grenzwellenzahl (cut-off): 15 UPR 50 UPR optimal 150 UPR 500 UPR 1500 UPR Nanometrologie METAS 2011/Mf 26

27 Rundheitskalibrierung am METAS Subpixel Randerkennung Auswertung und Filterung nach ISO Nanometrologie METAS 2011/Mf 27

28 Messunsicherheit für Rundheit Fehlertrennverfahren (Multistep) 0 90 Unsicherheit zu MMM Rundheitsmessungen Messparameter in die blauen Felder eintragen Objektiv 5x 20x 50x Optische Auflösung /µm Pixelgrösse /µm Randbreite /pixel Punktezahl Filter /W/U ROI Grösse /µm Bildverzerrungen /rel Durchmesser /mm Kantenrauheit p-p Auflösung, Staub, Kratzer, etc Breite aus unfiltered /µm 2D MMM lin, ortho /rel 1.00E E E-06 Max Drift /µm Max diam diff 0-90 /µm U95 diameter /µm U95 roundness /µm Nanometrologie METAS 2011/Mf 28

29 Zusammenfassung Charakterisierung eines optischen KMGs ist komplex ISO Hochstehende Messdienstleistungen für Strichmasse und 2D Photomasken Validiert durch internationale Messvergleiche Neu auch Rundheitsmessungen auf Photomasken internationale Messvergleiche? Dienstleistungen Akkreditierte Stellen MRA Katalog Vielen Dank! Nanometrologie METAS 2011/Mf 29