Wie kann man sichergehen, dass die Messwerte eines Rasterelektronenmikroskops (REM) vertrauenswürdig sind? Diese metrologische Grundfrage beantworten für REMs in der Regel chipbasierte, 1D- und 2D-Normale. Über diese können die vertikale und die lateralen Achsen kalibriert und die Orthogonalität zwischen den lateralen Achsen bestimmt werden. Dank spezieller Messverfahren können REMs aber auch Höheninformationen von Messobjekten generieren. In ihrer Promotion entwickelte Celina Hellmich an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Zusammenarbeit mit der Point electronic GmbH reproduzierbare und skalierbare waferbasierte Herstellungsprozesse von 3D-Mikronormalen auf Basis von Wafern. Diese kombinieren die Merkmale von 1D- und 2D-Normalen und ermöglichen zudem, die Orthogonalitätsfehler zwischen der lateralen und der vertikalen Achse zu bestimmen. 3D-Mikronormale bestehen aus Pyramidenstrukturen mit mindestens einer Höhenstufe und Referenzmarken auf allen Höhenebenen. Das Layout der Referenzmarken ermöglicht es, Drehung und Verschiebung von Messobjekten präzise zu identifizieren. Dieser entscheidende Unterschied zu 1D- und 2D-Normalen liefert nun neue Möglichkeiten in der optischen Messtechnik.
Celina Hellmich: „Meine Doktormutter Professorin Stefanie Kroker hat mich inspiriert, über die Fertigungsaspekte hinaus, tiefergehende Anwendungsfelder weiter zu erkunden. Im Austausch mit meinen Kollegen an der PTB, Dr. Matthias Schumann und Dr. Christoph Weichert, die ein neues 2D-Selbstkalibrierverfahren entwickelt haben, entstand dann die Idee, dieses Verfahren auf die 3D-Normale anzuwenden. Mithilfe von Dr. Rainer Köning konnte über Messungen von rückverfolgbaren Markerpositionen am Nanometerkomparator der PTB die Kalibrierung auf Messungen mit einem REM übertragen werden. Bei beiden Messgeräten konnte ein systematischer Unterschied zwischen den Markern auf der oberen und unteren Ebene festgestellt werden. Damit konnten wir zeigen, dass sich das Fehlerfeld der untersuchten Messgeräte über die vertikale Position ändert. Die Kombination der 3D-Mikronormale mit dem neuen Fehlertrennverfahren ermöglicht so einen völlig neuen Blick auf Verzerrungen in Mikroskopbildern. Es ist damit unerlässlich Messobjekte senkrecht zur Messachse der Mikroskope auszurichten, selbst wenn man reine 2D-Gitter betrachtet.“
Der potenzielle Einfluss des Ergebnisses auf die Arbeit mit REMs und anderen Mikroskopen ist enorm und begründete die Auszeichnung von Hellmichs Ergebnissen zum Paper of the Year. Je nachdem, in welchem analytischen Zusammenhang sich die Fehlerfelder mit der Höhe verändern, muss die Kalibrierung solcher Geräte nochmal völlig neu gedacht werden. Dadurch ergeben sich wiederum große Chancen für eine Zukunft mit noch genaueren Mikroskopen.
Publikation
Hellmich, C., Köning, R., Schumann, M., & Weichert, C. (2025). Self-calibration of microscopes based on 3D micro standards. Surface Topography: Metrology and Properties, 13(3), 035007. DOI 10.1088/2051-672X/adf7c3
