Eidgenössisches Justiz- und Polizeidepartement EJPD Bundesamt für Metrologie METAS Photomasken für die Kalibrierung von optischen Messgeräten Felix Meli
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 15 000 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
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
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
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 0.010 nm Nanometrologie METAS 2011/Mf 5
Optisch oder tastend? d =? d ref Optisch: Berührungslos schnell 2D Beleuchtungsabhängigkeit Tastend: Antastpunkte genau 3D Für Kalibrierung geeignet Nanometrologie METAS 2011/Mf 6
Norm EN ISO 10360 Teil 7 2011 Geometrische Produktspezifikation (GPS) Annahme- und Bestätigungsprüfung für Koordinatenmessgeräte (KMG) Teil 7: KMG mit Bildverarbeitungssystemen (ISO 10360-7:2011) Kap. 6 Annahmeprüfungen und Bestätigungsprüfungen 6.2 Längenmessabweichungen 6.5 Antastabweichung Bewegungssystem Bildverarbeitungssystems Bidirektional Unidirektional bi uni Nanometrologie METAS 2011/Mf 7
Norm EN ISO 10360-7 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
Norm EN ISO 10360-7 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 = 36 630 Ergebnisse Nanometrologie METAS 2011/Mf 9
Norm EN ISO 10360-7 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
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
Klimatisierte Reinraumkabine Doppelwandige Reinraumkabine Klasse 100 Temperaturstabilität ± 0.02 C Nanometrologie METAS 2011/Mf 12
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
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
Differenzielles zweiweg Planspiegelinterferometer Interferometer HP 10719 A 50x x-y stage Referenzstrahl zum Objektiv Nominell ohne Abbe- Versatz Brechungsindexkompensation mit Edlén Nanometrologie METAS 2011/Mf 15
Intensity Intensity Digitale Bildauswertung Subpixelauflösung durch Kantenoperatoren: 20x: 250 20x profile 200 150 100 50 0 110 115 120 125 130 x /µm 50x: 250 50x profile 200 150 100 50 0 40 42 44 46 48 50 52 54 x /µm Nanometrologie METAS 2011/Mf 16
st. dev. /nm Wiederholbarkeit bei Quartzmassstab 400 mm Standardabweichung von 10 Messungen < 5 nm 6 5 ref. first ref. avg. 4 3 2 1 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 x /mm Nanometrologie METAS 2011/Mf 17
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 = 1/299 792 458 s, c = Vakuumlichtgeschwindigkeit Daraus folgt direkt: c = 299 792 458 m/s Die Sekunde: Die Sekunde ist das 9 192 631 770 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
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
Messunsicherheitsberechnung Nanometrologie METAS 2011/Mf 20
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
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
Auswertungsprogramm für Photomaskenmessungen Transformation in optimales Koordinatensystem Berechnung des MPE aus allen möglichen Distanzen zwischen Messkreuzen Skalenfehler Rechwinkligkeitsfehler Geradheiten Rotatorische Abweichungen Download: www.metas.ch/photomasks Nanometrologie METAS 2011/Mf 23
Detaillierte Korrekturinformation und Report Download: www.metas.ch/photomasks Nanometrologie METAS 2011/Mf 24
Photomaske mit Prüfkreisen Die Form der Prüfkreise muss kalibriert sein! Rundheitsmessung Nanometrologie METAS 2011/Mf 25
Rundheit nach ISO 12181 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
Rundheitskalibrierung am METAS Subpixel Randerkennung Auswertung und Filterung nach ISO 12181 Nanometrologie METAS 2011/Mf 27
Messunsicherheit für Rundheit Fehlertrennverfahren (Multistep) 0 90 Unsicherheit zu MMM Rundheitsmessungen Messparameter in die blauen Felder eintragen Objektiv 5x 20x 50x Optische Auflösung /µm 1.5 1 0.7 Pixelgrösse /µm 1.3 0.325 0.13 Randbreite /pixel 3 4 8 Punktezahl 440 7400 9770 Filter /W/U 150 150 150 ROI Grösse /µm 400 160 70 Bildverzerrungen /rel 0.0007 0.0007 0.0007 Durchmesser /mm 0.35 2 2 Kantenrauheit p-p Auflösung, Staub, Kratzer, etc. 0.4 0.1 0.05 Breite aus unfiltered /µm 2D MMM lin, ortho /rel 1.00E-06 1.00E-06 1.00E-06 Max Drift /µm 0.02 0.02 0.02 Max diam diff 0-90 /µm 0.26 0.15 0.05 U95 diameter /µm 1.5 1.0 0.7 U95 roundness /µm 0.76 0.15 0.07 Nanometrologie METAS 2011/Mf 28
Zusammenfassung Charakterisierung eines optischen KMGs ist komplex ISO 10360-7 Hochstehende Messdienstleistungen für Strichmasse und 2D Photomasken Validiert durch internationale Messvergleiche Neu auch Rundheitsmessungen auf Photomasken internationale Messvergleiche? www.metas.ch Dienstleistungen www.sas.ch Akkreditierte Stellen http://kcdb.bipm.org MRA Katalog Vielen Dank! Nanometrologie METAS 2011/Mf 29