Besondere Anforderungen an die Messunsicherheitsermittlung in der Mikro- und Nanomesstechnik

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1 Lehrstuhl Qualitätsmanagement und Fertigungsmesstechnik Prof. Dr.-Ing. Dr.h.c. Albert Weckenmann Universität Erlangen-Nürnberg Besondere Anforderungen an die Messunsicherheitsermittlung in der Mikro- und Nanomesstechnik Prof. Dr.-Ing. Dr.h.c. A. Weckenmann Dipl.-Ing. Th. Wiedenhöfer 1 Entwicklung der Mikrotechnik 2 Messunsicherheit (MU) in der µ/n-messtechnik 3 Besondere Einflüsse und deren Berücksichtigung 4 Voraussetzungen für die MU-Ermittlung in der Mikro- und Nano-Messtechnik 5 Anforderungen an GUM GMA-Workshop Neue Entwicklungen der Messunsicherheitsermittlung am 06. und 07. April 2006 in Ilmenau Expertenworkshop-MU-2006-Weckenmann.ppt 1/17 Entwicklung der Mikrotechnik am Beispiel MEMS Marktentwicklung bei MEMS (Deutschland) Trends 1. weitere Miniaturisierung 2. steigende Funktionsdichte 3. komplexerer (3D) Strukturen in Mrd. $ Quelle: In-Stat/MDR ökonomischer Aspekt: - MEM-Umsatz am Ende des Jahrzehnts bei 100 Mrd. $ technische Entwicklung Miniaturisierung MEMS/ MOEMS NEMS Integration Optik Elektronik... Expertenworkshop-MU-2006-Weckenmann.ppt 2/18 1

2 Messunsicherheitsermittlung in der Mikro- und Nanomesstechnik MU nach GUM makroskopische Messtechnik 100 µm Mikro- und Nanomesstechnik (Effekte und Strukturen) Besondere Aspekte der Messunsicherheitsermittlung in der Mikro- und Nanomesstechnik - Großes Verhältnis Effekt/Messgröße -> Berücksichtigung makroskopisch vernachlässigbarer Effekte erforderlich - Zusätzliche Oberflächenmerkmale (bis hin zu einzelnen Atomen) sind zu berücksichtigen - Viele kaum erforschte Effekte und Wechselwirkungen (komplexe Black-Box-Systeme) Besondere Anforderungen an die Messunsicherheitsermittlung Im Folgenden werden vor allem Effekte aus dem Übergangsbereich Mikro-/Nano-Messtechnik vorgestellt, da hier Einflüsse in beiden Größenbereichen wirken. Expertenworkshop-MU-2006-Weckenmann.ppt 3/18 Herausforderungen bei der Messunsicherheitsermittlung in der Mikro- und Nanomesstechnik Messmethode/ Messmodus Korrelationen Schwingungen Interaktion Oberfläche-Sensor Anisotropie Modellbildung Sensorstabilität Hysterese Temperatur Rauschen Kalibrierung quantenmech. Phänomene Basismechanismen Expertenworkshop-MU-2006-Weckenmann.ppt 4/18 2

3 Messunsicherheitsermittlung µ/n: Sensorstabilität Das Messergebnis stellt immer eine Faltung der realen Topographie mit der Geometrie der Spitze dar Sensorstabilität taktil erfassbar optisch erfassbar AFM-Spitzenradius (5 50)nm Auflösung < 100 pm u.u. nanooxidiert electrochemical(e)-stm: permanente Änderung der Spitzengeometrie Quelle: IPI, Uni Gießen nur statistisch oder worst-case berücksichtigbar Quelle: Arbeitsabstand ca. 1 nm Expertenworkshop-MU-2006-Weckenmann.ppt 5/18 Messunsicherheitsermittlung µ/n: Sensorstabilität Das Messergebnis stellt immer eine Faltung der realen Topographie mit der Geometrie der Spitze dar Sensorstabilität AFM-Spitzenradius (5 50)nm Anforderungen an GUM und daraus abgeleitete Richtlinien und Auflösung Vorgehensweisen: < 100 pm u.u. Fusion von Messdaten erfasst nach unterschiedlichen Messprinzipien nanooxidiert taktil erfassbar Berücksichtigung hochdynamischer Vorgänge und Abläufe optisch erfassbar Plausibilitätsprüfung electrochemical(e)-stm: Nichtlinearität der Vorgänge permanente berücksichtigen Änderung der Spitzengeometrie Quelle: IPI, Uni Gießen nur statistisch oder worst-case berücksichtigbar Quelle: Arbeitsabstand ca. 1 nm Expertenworkshop-MU-2006-Weckenmann.ppt 6/18 3

4 Messunsicherheitsermittlung µ/n: Interaktion Oberfläche-Sensor 1 Zu unterscheiden sind durch das Messprinzip bedingte gewollte Wechselwirkungen und unbeabsichtigte Interaktion der Oberfläche und des Sensors wie: - Kontakt/Crash - Kraft- oder Stromwechselwirkung - Absorption, Reflexion, Beugung, Brechung Beispiel: Absorption Sender Empfänger (111) (110) Beispiel: STM-Nebenstrom ideale Spitze reale STM-Spitze Interaktion Oberfläche-Sensor Tunnelstromanteil: 4% 90% 4% Quelle: Nanosurf AG Messobjekt Messobjekt komplexe Vorgänge/Geometrien müssen im Modell berücksichtigt werden Expertenworkshop-MU-2006-Weckenmann.ppt 7/18 Messunsicherheitsermittlung µ/n: Interaktion Oberfläche-Sensor 2 Beispiel: komplexe 3D-Spitzengeometrie bei SPM (Berechnung z.b. mit Scanning-Probe-Microscopy(SPM)- Software SPIP) Interaktion Oberfläche-Sensor HOPG-Messung (HOPG: Highly Oriented Pyrolytic Graphit) berechnete 3D-Spitzengeometrie Quelle: Image Metrology A/S komplexe Gestalt muss im Budget berücksichtigt werden Gültig eigentlich nur, wenn an bekannten Kalibrierstrukturen ermittelt (Atomgitter des HOPG kann verwendet werden) Expertenworkshop-MU-2006-Weckenmann.ppt 8/18 4

5 Messunsicherheitsermittlung µ/n: Interaktion Oberfläche-Sensor 2 Beispiel: komplexe 3D-Spitzengeometrie bei SPM (Berechnung z.b. mit Scanning-Probe-Microscopy(SPM)- Software SPIP) Interaktion Oberfläche-Sensor HOPG-Messung Anforderungen an GUM und daraus abgeleitete Richtlinien berechnete und Vorgehensweisen: 3D-Spitzengeometrie (HOPG: Highly Oriented Pyrolytic Graphit) Plausibilitätsprüfung Simulation einbeziehen Kalibrierstrategien (modulare) Modellbildung Quelle: Image Metrology A/S komplexe Gestalt muss im Budget berücksichtigt werden Gültig eigentlich nur, wenn an bekannten Kalibrierstrukturen ermittelt (Atomgitter des HOPG kann verwendet werden) Expertenworkshop-MU-2006-Weckenmann.ppt 9/18 Messunsicherheitsermittlung µ/n: Messmethode/Messmodus 1 unterschiedliche Messmethoden: Eingesetzt werden ähnliche Antastelemente, genutzt unterschiedliche phys. Effekte und Eigenschaften. Beispiel Rastersondenmessverfahren: Magnetic Force Microscopy (MFM) Magnetic Force Scanning Near-Field Optical Microscopy (SNOM) Reflection, absorption & Fluorescence of light Heat Transfer Scanning Thermal Microscopy (SThM) Messmethode/ Messmodus Lateral Force Microscopy (LFM) Force Modulated AFM Frictional Force Interatomic & Intermolecular Force Scanning Probe Microscopy (SPM) Interatomic & Intermolecular Force Tunneling Current Electrostatic Force Accoustic waves Electronic Force Microscopy (EFM) Scanning Accoustic Microscopy (SAM) Atomic Force Microscopy (AFM) Scanning Tunnelling Microscopy (STM) Effekte überlagern sich teilweise; Vorgänge sind mathematisch nur unvollständig erfasst; Jedes Prinzip definiert die Oberfläche anders Expertenworkshop-MU-2006-Weckenmann.ppt 10/18 5

6 Messunsicherheitsermittlung µ/n: Messmethode/Messmodus unterschiedliche Messmodi: Abhängig vom eingesetzten Messmodus werden unterschiedliche Oberflächengeometrien erfasst z.b. STM (CCM oder CHM), AFM (contact, noncontact/tapping). Messmethode/ Messmodus Beispiel STM-Messmodi: e - e - e e - e - z e - Constant-Height Mode x Constant-Current Mode Regelung und Verstellelemente (häufig Piezos) müssen mit modelliert werden; Die Qualität der Messergebnisse hängt (auch) vom Messmodus ab. Expertenworkshop-MU-2006-Weckenmann.ppt 11/18 Messunsicherheitsermittlung µ/n: Messmethode/Messmodus unterschiedliche Messmodi: Abhängig vom eingesetzten Messmodus werden unterschiedliche Oberflächengeometrien erfasst z.b. STM (CCM oder CHM), AFM (contact, noncontact/tapping). Messmethode/ Messmodus Beispiel STM-Messmodi: Anforderungen an GUM und daraus abgeleitete Richtlinien und Vorgehensweisen: Regeln für den Vergleich/Kombination von Messergebnissen unterschiedlicher Messprinzipien, Messgeräte, Messmodi e - e - e - Wann und wie ist ein Modell übertragbar - + e - e - e - z Constant-Height Mode x Constant-Current Mode Regelung und Verstellelemente (häufig Piezos) müssen mit modelliert werden; Die Qualität der Messergebnisse hängt (auch) vom Messmodus ab. Expertenworkshop-MU-2006-Weckenmann.ppt 12/18 6

7 Messunsicherheitsermittlung µ/n: Hysterese Piezo-Elemente/-Antriebe weisen eine Hysterese auf, die in der Mikro- und Nanomesstechnik nicht mehr vernachlässigt werden kann. Hysterese Scanebene Rasterbahn Hysteresekurven eines spannungsgesteuerten Piezoaktors bei verschiedenen Spitzenspannungen Sonde z x y Piezoantriebe Quelle: PI (Physik Instrumente) GmbH Quelle: Nanosurf AG Nichtlineare Phänomene sind zu berücksichtigen. Bei bekannter Kennlinie kann die Abweichung korrigiert werden. Die Unsicherheit der Kennlinie ist zu beachten. Expertenworkshop-MU-2006-Weckenmann.ppt 13/18 Messunsicherheitsermittlung µ/n: Hysterese Piezo-Elemente/-Antriebe weisen eine Hysterese auf, die in der Mikro- und Nanomesstechnik nicht mehr vernachlässigt werden kann. Hysterese Hysteresekurven eines spannungsgesteuerten Piezoaktors Scanebene bei verschiedenen Spitzenspannungen Rasterbahn Anforderungen an GUM und daraus abgeleitete Richtlinien und Vorgehensweisen: Nichtlinearität der Vorgänge berücksichtigen Abschätzen von Restfehlern Sonde dynamischer Vorgänge z x y Piezoantriebe Quelle: PI (Physik Instrumente) GmbH Quelle: Nanosurf AG Nichtlineare Phänomene sind zu berücksichtigen. Bei bekannter Kennlinie kann die Abweichung korrigiert werden. Die Unsicherheit der Kennlinie ist zu beachten. Expertenworkshop-MU-2006-Weckenmann.ppt 14/18 7

8 Messunsicherheitsermittlung µ/n: Anisotropie Anisotropien spielen auf Kristallgitterebene eine entscheidende Rolle für viele Materialeigenschaften. Anisotropie Die kristallografische Textur (geometrische Anordnung der Kristallite - Mikrostruktur eines polykristallinen Materials) bestimmt z. B. Eigenschaften wie thermische Ausdehnung oder Härte. Quantitativ beschrieben wird sie durch eine Orientierungsdichtefunktion (ODF) Beispiel: In einem Graphitkristallgitter variiert der E-Modul richtungsabhängig um den Faktor 20. Bei Mikroscratchtests konnte ebenfalls eine Orientierungsabhängigkeit der Ergebnisse festgestellt werden. 20 µm 10 µm 5 µm 3 µm Anisotropie durch Struktur, Herstellung, Behandlung und lokale Gittereigenschaften können nicht vernachlässigt werden. Größen sind z. T. korreliert. Expertenworkshop-MU-2006-Weckenmann.ppt 15/18 Messunsicherheitsermittlung µ/n: Anisotropie Anisotropien spielen auf Kristallgitterebene eine entscheidende Rolle für viele Materialeigenschaften. Anisotropie Die kristallografische Textur (geometrische Anordnung der Kristallite - Mikrostruktur eines polykristallinen Materials) bestimmt z. B. Eigenschaften wie thermische Ausdehnung oder Härte. Quantitativ beschrieben wird sie durch eine Orientierungsdichtefunktion (ODF) Beispiel: In einem Anforderungen Graphitkristallgitter an GUM variiert und der daraus E-Modul abgeleitete richtungsabhängig Richtlinien um und den Vorgehensweisen: Faktor 20. Abschätzen von Restfehlern bei anisotropen Annahmen Bei Mikroscratchtests konnte ebenfalls eine Orientierungsabhängigkeit der Ergebnisse festgestellt werden. Ermittlung der Korreliertheit von Einflussgrößen 20 µm 10 µm 5 µm 3 µm Anisotropie durch Struktur, Herstellung, Behandlung und lokale Gittereigenschaften können nicht vernachlässigt werden. Größen sind z. T. korreliert. Expertenworkshop-MU-2006-Weckenmann.ppt 16/18 8

9 Messunsicherheitsermittlung µ/n: Temperatur Die thermische Ausdehnung hängt von folgenden Faktoren ab und ist dadurch häufig isotrop: Temperatur chemische Bindung Die thermische Ausdehnung ist bei primären Atombindungen (Atom-, Ionen- oder Metallbindung) höher als bei sekundären Atombindungen (Molekül- oder Wasserstoffbrückenbindung). α prim > α sek Temperatur Kann sich durch das Messprinzip signifikant ändern - z. B. bei der Reibkraftmikroskopie (FFM) kristalliner Aufbau Bei feinkristallinen Werkstoffen, die keine Textur aufweisen, kann ein mittlerer Wert des Ausdehnungskoeffizienten angenommen werden. Der Ausdehnungskoeffizient zwischen den Kristallhauptrichtungen lässt sich berechnen durch: α φ = α + (α -α ) cosφ 2 Umwandlungsvorgänge (thermodynamische) Phasenumwandlungsvorgänge beeinflussen die Volumenausdehnung. magnetische Erscheinungen Die zwischen den Bausteinen wirkenden magnetischen Ordnungskräfte führen bei isotroper Orientierung zu einer richtungsabhängigen Volumenausdehnung. Je kleiner die zu untersuchenden Strukturen werden, desto weniger kann die thermische Ausdehnung als isotrop angesetzt werden Expertenworkshop-MU-2006-Weckenmann.ppt 17/18 Messunsicherheitsermittlung µ/n: Temperatur Die thermische Ausdehnung hängt von folgenden Faktoren ab und ist dadurch häufig isotrop: Temperatur chemische Bindung Die thermische Ausdehnung ist bei primären Atombindungen (Atom-, Ionen- oder Metallbindung) höher Anforderungen als bei sekundären an GUM Atombindungen und daraus abgeleitete (Molekül- oder Richtlinien Wasserstoffbrückenbindung). und Vorgehensweisen: α prim > α sek Temperatur Kann Plausibilitätsprüfung sich durch das Messprinzip - goldene signifikant Regeln ändern Mess- - z. und B. bei Fertigungstechnik der Reibkraftmikroskopie (FFM) kristalliner Ermitteln Aufbau von Korrelationen Bei feinkristallinen Werkstoffen, die keine Textur aufweisen, kann ein mittlerer Wert des Ausdehnungskoeffizienten Wann ist ein Modell vollständig? angenommen Fehlerminimierung werden. Der Ausdehnungskoeffizient und Modelloptimierung zwischen den Kristallhauptrichtungen was muss zwingend lässt enthalten sich berechnen sein durch: α φ = α + (α -α ) cosφ 2 Umwandlungsvorgänge (thermodynamische) Phasenumwandlungsvorgänge beeinflussen die Volumenausdehnung. magnetische Erscheinungen Die zwischen den Bausteinen wirkenden magnetischen Ordnungskräfte führen bei isotroper Orientierung zu einer richtungsabhängigen Volumenausdehnung. Je kleiner die zu untersuchenden Strukturen werden, desto weniger kann die thermische Ausdehnung als isotrop angesetzt werden Expertenworkshop-MU-2006-Weckenmann.ppt 18/18 9

10 Messunsicherheitsermittlung µ/n: quantenmech. Phänomene Quantenmechanische Phänomene werden im Messprinzip genutzt andere führen zu Abweichungen des Messergebnisses und machen dieses unsicher quantenmech. Phänomene Gewollt: Messprinzip (z.b. Tunnelstrom bei STM-Messungen) Ungewollt: Diffusion einzelner Atome auf einer Kupferoberfläche in Salzsäurelösung (Video-STM-Messung) Quelle: IEAP, Uni Kiel Quelle: IEAP, Uni Kiel Weiteres Beispiele: Quanteneigenschaften von Nanoclustern - Elektromagnetische Wellen werden unter bestimmten Bedingungen von der Oberfläche eingefangen und an anderer Stelle (an einem Nanocluster) wieder emittiert - Photolumineszenz (Volumenabhängige Strahlung nach elektromagnetischer Anregung) Expertenworkshop-MU-2006-Weckenmann.ppt 19/18 Messunsicherheitsermittlung µ/n: quantenmech. Phänomene Quantenmechanische Phänomene werden im Messprinzip genutzt andere führen zu Abweichungen des Messergebnisses und machen dieses unsicher quantenmech. Phänomene Gewollt: Messprinzip (z.b. Tunnelstrom bei STM-Messungen) Ungewollt: Diffusion einzelner Atome auf einer Kupferoberfläche in Salzsäurelösung (Video-STM-Messung) Anforderungen an GUM und daraus abgeleitete Richtlinien und Vorgehensweisen: Untersuchung dynamischer, nichtlinearer Vorgänge Simulation einbeziehen Weiteres Beispiele: Quanteneigenschaften von Nanoclustern - Elektromagnetische Wellen werden unter bestimmten Bedingungen von der Oberfläche eingefangen und an anderer Stelle (an einem Nanocluster) wieder emittiert - Photolumineszenz (Volumenabhängige Strahlung nach elektromagnetischer Anregung) Quelle: IEAP, Uni Kiel Quelle: IEAP, Uni Kiel Expertenworkshop-MU-2006-Weckenmann.ppt 20/18 10

11 Messunsicherheitsermittlung µ/n: Korrelationen Versuchspläne zur Ermittlung von Korrelationen Statistische Versuchsplanung (DoE: Design of Experiments) ermöglicht die Untersuchung von funktionalen Zusammenhängen zwischen Einflussgrößen und den Qualitätsmerkmalen. Sie dient u. a. dazu, Einflussgrößen zu unterscheiden und Wechselwirkungen aufzudecken. Typen von Versuchsplänen Korrelationen Mixture Design (die Einflussgrößen sind voneinander abhängig) vollfaktorieller 2 n -Versuchsplan Square - Pläne Faktorielle Pläne Response Surface Pläne Latin Square Graeco Latin Square Youden Square Vollfaktoriell Teilfaktoriell Zentral zusammengesetzt Plackett Burman Simplex Methode steilster Anstieg - unbekannte signifikante Einflussgrößen - eine Einflussgröße wird untersucht - unbekannte signifikante Einflussgrößen - mehrere Einflussgrößen können untersucht werden - bekannte signifikante Einflussgrößen - mehrere Einflussgrößen können untersucht werden Expertenworkshop-MU-2006-Weckenmann.ppt 21/18 Voraussetzungen für die fundierte Messunsicherheitsermittlung in der Mikro- und Nanotechnologie Anforderungen an die Technik Bei weiterer Miniaturisierung und Erweiterung der Mikro- und Nanofertigung wird erforderlich: Durchgerechnete Musterbeispiele (für jedes Messverfahren) weitere Erforschung von Basismechanismen Einfluss des Messgerätes auf den Mikro- und Nanokosmos stärker berücksichtigen Schmutz oder Reinigungsmechanismen mit einbeziehen bzw. Filter berücksichtigen Kalibrierung: Normale, Vorschriften und Richtlinien fehlen (oder sind erst im Entstehen) Automatisch auftretende, ungewollte Effekte berücksichtigen Einbeziehung hochdynamischer, schwer zugänglicher Vorgänge und Prozesse Stärkere Berücksichtigung von Korrelationen Behandlung von Filtern Expertenworkshop-MU-2006-Weckenmann.ppt 22/18 11

12 Voraussetzungen für die fundierte Messunsicherheitsermittlung in der Mikro- und Nanotechnologie Anforderungen an GUM Aus den (neuen) Fragestellungen der Mikro- und Nanomesstechnik abgeleitete Anforderungen: Plausibilitätsprüfung goldene Regeln MU (10 Auflösung) u.ä. Abschätzen von Restfehlern Unterstützung bei der Einschätzung von Einflüssen, Kalibrierstrategien Ermitteln von Korrelationen Untersuchung dynamischer Vorgänge Simulation/MC einbeziehen Messergebnisse unterschiedlicher Geräte kombinieren Wann ist ein Modell vollständig? Was muss in einem Modell zwingend enthalten sein Wann ist die MU minimiert (wie kann dies erreicht werden) Übertragbarkeit von Modellen Einschätzen der Modellqualität und Berücksichtigung bei der Budgetierung Nichtlineares Verhalten berücksichtigen Expertenworkshop-MU-2006-Weckenmann.ppt 23/18 Plausibilität Nichtlinearität Dynamik Modellbewertung Simulation Kontakt: Lehrstuhl Qualitätsmanagement und Fertigungsmesstechnik Universität Erlangen-Nürnberg, Nägelsbachstraße 25, Erlangen Tel.: , Fax: y-u y y+u Y Korrelationen Datenfusion und -vergleich Expertenworkshop-MU-2006-Weckenmann.ppt 24/18 12