19.05.2020

Längenmaß für den Nanometer-Bereich

Stufen von Siliziumkristallen liefern präzises Maß für atomare Abstände.

Im Zuge der Revision des Internationalen Einheiten­systems (SI), die am 20. Mai 2019 in Kraft getreten ist, hat die inter­nationale Meter­konvention auf Vorschlag des beratenden Komitee für die Länge (CCL) zugelassen, den Gitter­parameter des Silizium­kristalls – also den Abstand zwischen den atomaren Schichten – als Basis für die sekundäre Darstellung des Meters im Nano­meter­bereich zu nutzen. In der hoch­auflösenden Mikroskopie sind damit Unsicherheiten im Bereich von Pikometern für Messungen von Stufenhöhen bis zehn Nanometer erreichbar. Die PTB hat dafür kristalline Silizium­proben in reproduzierbar hoher Qualität hergestellt.
 

Abb.: Probe mit atomaren Stufenhöhen, aufgenommen mit einem konfokalen...
Abb.: Probe mit atomaren Stufenhöhen, aufgenommen mit einem konfokalen Laser­scanning-Mikroskop. Jede der Terrassen ist eine atomar glatte Netz­ebene des Silizium­kristalls. (Bild: PTB)

Das genaue Messen von Längen im Nano­meter­bereich ist eine besondere Heraus­forderung. Da für die Realisierung des Meters bisher im Wesentlichen Laser im sichtbaren Spektral­bereich genutzt werden, ist bei dieser Art der Rückführung der Weg bis zum Nano­meter­bereich lang und beschwerlich. Als Folge sind sowohl die Unsicher­heiten als auch die Kosten für den Anwender in der Praxis oftmals recht hoch.

Das beratende Komitee für die Länge (CCL) der Internationalen Meter­konvention hat im Zuge der Revision des SI in einer Mise en pratique den Gitter­parameter des Siliziums als eine sekundäre Realisierung des Meters für dimensionelle Messungen in der Nano­metrologie zugelassen. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, substanzielle Fortschritte in der dimensionellen Kalibrierung von Raster­kraft­mikroskopen zu erreichen, denn der Gitter­parameter im Si-Volumen­kristall ist mit relativen Unsicher­heiten kleiner als 10–8 verfügbar.

Im Rahmen des europäischen Metrologie- Forschungs­projekts „Crystal“ wurden in der PTB kristalline Silizium­proben in reproduzierbar hoher Qualität hergestellt, bei denen die Höhe einer Monolage Silizium 0,314 Nanometer beträgt. Vergleichs­messungen in unterschiedlichen Metrologie­instituten belegen, dass mit diesen kristallinen Normalen für Messungen kleiner Stufenhöhen auf der Nanometer­skala eine erweiterte Unsicherheit von zehn Pikometern erreicht werden kann. Das ist eine Verbesserung gegenüber bisherigen Methoden von mehr als einer Größenordnung.

Hergestellt werden diese Normale durch einen Selbstorganisationsprozess im Ultrahochvakuum auf Siliziumwafern mit (111)-Orientierung. Durch eine spezielle Prozessierung wird erreicht, dass das Kristall­gitter des Wafers an der Proben­oberfläche ungestört rekonstruiert wird. Damit ist sichergestellt, dass die Atome an der Oberfläche genauso regelmäßig angeordnet sind wie in der Tiefe des Kristalls. In einer neuen Präparations­kammer soll dieses Verfahren auf noch komplexere Anwendungsfälle ausgeweitet werden.

PTB / DE

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