CN111316110B - 用于测试测试样品电气性能的探针和相关的接近探测器 - Google Patents

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Abstract

一种用于材料和半导体晶片的直接纳米和微米级电气表征的探针。探针包括探针主体、从探针主体延伸的第一悬臂以及从探针主体延伸的第一热探测器。热探测器用于相对于测试样品定位悬臂。

Description

用于测试测试样品电气性能的探针和相关的接近探测器
说明书
本发明涉及一种使探针与测试样品接触以测试测试样品的电气性能的方法，具体地，本发明涉及一种具有热探测器的微悬臂式多点探针。此外，本发明涉及一种用于测试测试样品的电气性能的系统，一种用于重新调整热探测器的测量以补偿几何变化的方法，以及一种用于确定热探测器与测试样品之间的接近度的方法。
测试样品也可以由半导体晶片组成，所述半导体晶片的顶部具有薄的平面连续导电膜或形成的薄的多层堆叠，例如磁隧道结(MTJ)。
测试样品还可以是具有例如利用多个CMOS晶体管实现的集成CMOS电路的硅半导体晶片。在这种情况下，样品可能含有特定的测试垫，其中一部分导电膜或被测的堆叠专门用于电气表征。测试垫也可以由密集的finFET晶体管阵列构成。
多点探针测量和测试例程(诸如四点探针测量)也称为四端子感应，其中电阻抗测量技术使用分开的一对载流电极和电压感应电极(带尖端的接触探针，用于接触测试样品)。
当进行用于确定测试样品的电气性能的电阻测量时，使包括用于建立与测试表面的电气接触的一或多个电极的测试探针与测试表面接触。
微型四点探针的示例在EP2293086中公开，所述公开内容通过引用并入本申请中。EP2293086中公开的探针包括从探针主体延伸的四个悬臂。
探针是测试装置或系统的一部分，所述测试装置或系统包括用于移动探针使所述探针与测试样品接触的致动器，所述测试样品放置在测试装置中。
尺寸以微米或纳米为单位，并且重要的是要使尖端(接触探针的尖端端部)受控且精确地着落在测试样品上，使得当致动器停止时，尖端在测试样品表面的至少200nm内，并且优选地在测试样品表面的±50nm内。
受控的着落可以防止电极断裂，以及测试样品被探针碎屑污染，并且可以建立良好的稳定欧姆接触。
可以使用应变仪探测器(机械接触探测)或通过测量例如多个接触探针之间的电阻抗来使用电接触探测来控制探针的着落，例如，即，当多个接触探针之间的阻抗降低时，可以假定接触探针与测试样品接触，并且电流在至少两个接触探针之间在测试样品中流动。
这些着落或接触测试样品的方法中的每个都具有诸如相对较大的总占地面积之类的缺点，如在基于应变仪的表面探测的情况下，相对于电气探测，这需要额外的悬臂来接触样品表面。较大的占用空间意味着样品与探针接触时污染更高。另一方面，对于测试样品的非导电表面(或氧化表面)，电气探测无效，从而限制了其适用性。
在US7186019中公开了使用热来测量跨气隙的距离的示例，所述公开通过引用并入本公开。然而，US7186019中的设备没有用于测量测试样品的电气性能的接触探针，并且设备也没有与测试样品接触。
本发明的一个目的是减少上述缺点中的至少一些。
根据本发明的第一方面，通过以下方式获得上述目的和优点以及许多其它目的和优点，它们将从本发明的描述中显而易见：
一种使探针接近测试样品以测试所述测试样品的电气性能的方法，所述方法包括：
提供具有限定用于支撑第一悬臂的平坦表面的探针主体的探针，和第一热探测器，
-所述第一悬臂在所述平坦表面支撑的第一近端与与所述第一近端相对的第一远端之间以相对于所述平坦表面共面的关系从所述探针主体延伸，
所述第一悬臂具有支撑第一接触探针的悬臂表面，
-所述第一热探测器在所述平坦表面支撑的第二近端与与所述第二近端相对的第二远端之间以相对于所述平坦表面共面的关系从所述探针主体延伸，
所述第一热探测器具有支撑具有温度依赖性电阻的电导体的探测器表面，
所述方法进一步包括：
在所述电导体与所述测试样品之间建立温差，
在所述电导体中注入电流，
提供电子电路，将所述电子电路连接到所述电导体，在将所述探针移向所述测试样品的同时借助于所述电子电路测量所述温度依赖性电阻，并且当所述温度依赖性电阻达到表示所述接触探针接近或接触所述测试样品的发生的第一阈值时停止所述探针。
应将接近理解为接触探针与测试样品邻接。
阈值可以从经验测量中选择，使得当探针与测试样品的表面之间的距离在0-10μm之间时，停止探针。
然后可以使探针向测试样品移动固定的距离，以便使探针与测试样品物理接触。该固定距离可以从0.5-8μm或0.5-6μm或0.5-4μm或0.5-2μm或1-7μm或1-3μm范围的任何一个中选择-取决于离测试样品多远停止探针。
另选地，可以选择阈值，以使当达到阈值时探针接触测试样品。在这种情况下，没有必要将探针移动最终距离以便接触测试样品。
通常，接触的发生意味着探针已经着落在测试样品上，其中接触探针的尖端接触了测试样品的表面。
但是，通常，应从以下意义上理解接触，即接触探针不一定与测试样品物理接触，而是与测试样品非常接近，以便使在接触探针与测试样品之间存在电容性连接，使得接触探针中的交流电可以流到测试样品中，即，电容性触点大于0且小于1mF。
探针可以具有第二悬臂，所述第二悬臂以相对于平坦表面共面的关系从所述探针主体延伸。探针还可以具有第二热探测器，所述第二热探测器以相对于平坦表面共面的关系从所述探针主体延伸。
可以通过测量跨温度依赖性电阻的电压降来隐式地测量温度依赖性电阻。
第一热探测器可以相对于探针主体限定回路，即，第一热探测器在第一点处远离探针主体延伸，并在第二点处返回到探针主体(热探测器在探针主体上开始和结束)。
可以通过提供加热器来建立温差，所述加热器相对于测试样品加热电导体，即，将电导体的温度升高到超过测试样品的温度。相反的情况也可能是这样，即，提供了加热器，所述加热器相对于电导体加热测试样品。
另选地，可以提供冷却器，所述冷却器相对于测试样品冷却电导体-或者冷却器可以相对于电导体冷却测试样品。
注入电导体中的电流可以用于加热电导体，即，电流可以具有使得电导体被加热到高于室温的温度的振幅。电流可以是交流电。
可以借助于电流源将电流注入电导体中，所述电流源可以提供在电导体中传导的恒定电流。
可以选择第一阈值，使得接触探针与测试样品之间的距离低于第二阈值。
可以选择第一阈值，使得它是统计分布的函数，所述统计分布限定利用多个探针的测量之间的差异-每个探针都是根据本发明制造的。
根据本发明的第二方面，通过以下方式获得上述目的和优点：
一种用于测试测试样品的电气性能的系统，所述系统包括：具有限定用于支撑第一悬臂的平坦表面的探针主体的探针，和第一热探测器，
-所述第一悬臂在所述平坦表面支撑的第一近端与与所述第一近端相对的第一远端之间以相对于所述平坦表面共面的关系从所述探针主体延伸，
所述第一悬臂具有支撑第一接触探针的悬臂表面，
-所述第一热探测器在所述平坦表面支撑的第二近端与与所述第二近端相对的第二远端之间以相对于所述平坦表面共面的关系从所述探针主体延伸，
所述第一热探测器具有支撑具有温度依赖性电阻的电导体的探测器表面，
所述系统进一步包括：
用于在所述电导体与所述测试样品之间建立温差的加热器或冷却器，
与所述电导体互连的电源，用于在所述温度依赖性电导体中注入电流，
用于将所述探针移向所述测试样品的致动器，以及
与所述电导体互连的电子电路，用于测量所述温度依赖性电阻，并且将所述温度依赖性电阻与阈值进行比较。
根据本发明的第三方面，通过以下方式获得上述目的和优点：
一种使测量在所述热探测器与测试样品之间的接近度的热探测器的测量归一化的方法，所述方法包括：
提供具有限定用于支撑热探测器的平坦表面的探针主体的探针，
所述热探测器在所述平坦表面支撑的近端与与所述近端相对的远端之间以相对于所述平坦表面共面的关系从所述探针主体延伸，
所述热探测器限定具有第一几何尺寸的探测器几何形状，并且具有支撑具有温度依赖性电阻的电导体的探测器表面，
所述方法进一步包括：
在所述电导体中注入电流，
提供电子电路，将所述电子电路连接到所述电导体，并且借助于所述电路测量所述电阻以提供输出，
通过所述第一几何尺寸对所述输出进行数学归一化，使得相对于所述探测器几何形状归一化所述输出。
可以用室温下的温度依赖性电阻的量度来表示第一几何尺寸，即通过测量跨电导体的电压降和在电导体中传导的电流-当电流保持恒定时，电压降与电阻成正比。
可以使用热探测器的第二几何尺寸来归一化所测量的电阻。
可以用室温下的温度依赖性电阻与高于室温的温度下的温度依赖性电阻之间的差值的量度来表示第二几何尺寸。
可以使用由电导体的厚度构成的热探测器的第三几何尺寸来归一化所测量的电阻。
根据本发明的第四方面，通过以下方式获得上述目的和优点：
一种确定热探测器与测试样品之间的接近度的方法，所述方法包括：
提供具有限定用于支撑热探测器的平坦表面的探针主体的探针，
所述热探测器在所述平坦表面支撑的近端与与所述近端相对的远端之间以相对于所述平坦表面共面的关系从所述探针主体延伸，
所述热探测器限定具有第一几何尺寸的探测器几何形状，并且具有支撑具有温度依赖性电阻的电导体的探测器表面，
所述方法进一步包括：
在所述电导体与所述测试样品之间建立温差，
在所述电导体中注入具有第一频率的交流电，
提供电子电路，将所述电路连接到所述电导体，借助于所述电子电路测量所述电阻，并且在将所述探针移向所述测试样品的同时提供输出，
提供具有低于所述第一频率的二次谐波的截止频率的滤波器，借助于所述高通滤波器对所述输出进行滤波，并且提供滤波后的信号，
使用所述滤波后的信号作为所述热探测器与所述测试样品之间的所述接近度的量度。
现在将参考非常示意性的附图借助于实施例的示例在下面更详细地解释本发明，其中
图1示出了用于测试测试样品的电气性能的探针的透视图。
图2示出了图1中的部分I的放大图。
图3示出了替代实施例，其中热探测器设置有突起。
图4示出了探针的替代实施例。
图5示出了替代实施例，其中悬臂已被划分并且放置在单个热探测器的相对侧。
图6示出了其中使用单个悬臂的替代实施例。
图7示出了探针的替代实施例。
图8示出了利用五个探针进行的测量。
图9示出了图8中所示的测量中的每个的归一化结果。
图10示出了电导体的所测量的电阻的进一步重新调整的结果。
图11示出了图10的圆圈区域II中的曲线图的放大图。
现在将参考附图在下文中更全面地描述本发明，其中示出了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以以不同的形式体现，并且不应被解释为限于本文所述的实施例。相反，提供这些实施例以使本公开将是彻底和完整的，并将向本领域技术人员充分传达本发明的范围。贯穿全文，相似的参考标号指的是相似的元件。因此，将不再关于每个附图的描述来详细描述相似的元件。
图1示出了用于测试测试样品的电气性能的探针的透视图。
探针10包括探针主体12，所述探针主体可以由多个半导体、金属和/或介电层制成。探针主体具有限定基本平坦的主体表面的第一侧，即，所述表面如制造过程所允许的那样平坦。探针主体具有与第一侧相对的第二侧和在第一侧与第二侧之间限定前表面32的前侧。
图2示出了图1中的部分I的放大图。
探针10包括悬臂18。在图2中可以看到其它七个悬臂，并且探针通常可以具有从1到16个悬臂的范围的一组悬臂。
每个悬臂支撑用于接触测试样品表面上的一点或小区域的接触探针24，并建立与测试样品的电连接。
在测量测试样品的电气性能之前，可能有必要先烧掉测试样品上的氧化层。这可以通过在施加击穿电压(跨两个接触探针)的接触探针中的电流来完成，所述击穿电压高到足以导致介电氧化物击穿-这种电压可能大于5V。
当进行测试时，接触探针或电极由沉积在面对测试样品表面的悬臂表面上的导电金属膜构成。通常，金属膜覆盖了悬臂的宽度，因为它是从上面沉积的，并且如果不使用任何图案来沉积膜，则膜将覆盖在其着落的东西上。
悬臂由介电材料制成，以便使接触探针与探针主体电绝缘，使得如果探针具有多个接触探针，则电流不会从一个接触探针流到另一个。
图1和2所示的探针是微型八点探针，但是通常探针可以具有任意数量的接触探针，即，探针可以具有四个接触探针，从而构成微型四点探针，或者它可以具有十二个接触探针，从而构成微型十二点探针。
每个悬臂可以支撑一个以上的接触探针。
每个悬臂具有L形，使得它在三维空间中比例如直悬臂更加灵活。
每个悬臂具有距探针主体12最远的远端30(尖端端部包括尖端)，即，在远端与探针主体之间具有一定距离。远端与探针主体之间的距离通常在5至200μm的范围内。
悬臂的近端限定为与远端相对，即距远端最远。因此，近端比远端更靠近探针主体。
每个悬臂在近端由平坦主体表面支撑，并且在垂直于探针主体12的前表面32的方向上以及在平行于探针主体的平坦表面(与平坦主体表面共面)的悬臂平面中以矢量分量远离探针主体延伸。当悬臂接触测试样品22时，它可能弯曲出悬臂平面。
延伸通过近端和远端30的轴线构成悬臂轴线。在图2中，悬臂轴线相对于探针主体的前表面32的法线具有大于零的角度(部分是由于悬臂的L形)。悬臂也可以是直的，在这种情况下，悬臂将以悬臂轴线平行于前表面法线的方式延伸。
探针包括第一热探测器，所述第一热探测器可见于悬臂的左侧，并且平行于悬臂延伸。
热探测器在平行于平坦表面(与平坦主体表面共面)的探测器平面中延伸。
热探测器远离与悬臂相同的前表面32延伸。在图2中，热探测器平行于前表面32的法线延伸。然而，在探测器平面中，热探测器可以相对于前表面32的法线具有±60°之间的角度。
热探测器相对于探针主体限定回路，即，它在探针主体上开始，并且在探针主体上结束。
在图2中，热探测器由由第一臂34、第二臂36以及前段38构成的三个直线段形成。两个臂正交于前表面32，并且前段平行于前表面。
第一臂的近端由平坦表面支撑，并且第二臂的近端由平坦表面支撑。前段38在第一臂的远端与第二臂的远端之间延伸。
可以使用三个以上的段来形成回路，并且在第一替代方案中，可以将回路形成为环形以限定诸如圆形或椭圆形之类的几何形状(不延伸完整的360°)。在第二替代方案中，热探测器可以由板形成，所述板可以与三个直段所覆盖的区域一样宽和长。
热探测器的远端(由探测器端构成)具有锚定位置，所述锚定位置到探针主体12的锚定距离为α。锚定距离(热探测器的长度)显示为小于悬臂远端与探针主体之间的距离。
可以预期，热探测器可以从探针主体延伸到与悬臂18一样远，即，热探测器的长度与悬臂的长度基本上相同(基本上意味着热探测器的长度与悬臂的长度的偏差不超过10％)。
还可以预期，热探测器可以具有大于悬臂的长度的长度，即，
锚定距离α可以小于200μm，诸如小于180μm、160μm、140μm、120μm或100μm，直至小于50μm。
前段38示出为具有线宽β，所述线宽可以在20nm-20μm的范围内，诸如100nm-10μm或1μm-5μm。热探测器的所有段可以具有这种宽度范围。
热探测器支撑电导体28，所述电导体由沉积在热探测器表面上的导电金属膜构成。金属膜通常覆盖热探测器的宽度，即，电导体的宽度(诸如在前段上)可以对应于线宽β。
金属膜可以是与接触探针相同的材料，诸如镍、钽、铝、铂、钌、钛、钴、铁、钨。电导体具有电阻，所述电阻是温度依赖性的。
每个接触探针(金属膜)连接到探针主体12上的相应电线。电线将接触探针与触垫连接，即，第一悬臂18上的接触探针24电连接到第一电线16，所述第一电线通向第一触垫14(可以将接触探针和电线沉积为从触垫通向悬臂远端的连续金属膜)。
类似地，可以通过将从探针主体上的第一触垫引出的金属膜沉积到热探测器上并返回到第二触垫来形成电导体28，即，电导体可以相对于探针主体上的第一触垫和探针主体上的第二触垫形成回路，使得它可以用作电路中的电阻，其中两个端子连接到第一和第二触垫。
触垫用于在探针与测试装置之间建立电连接，即，当探针放置在测试装置中时，测试装置具有与探针上的触垫接合的端子。测试装置还具有电源(诸如电流源或电压源)、以及一或多个电子电路，用于在热探测器的接触探针和电导体上发送信号。电子电路可以实现为一或多个微处理器。
测试装置的致动器相对于也放置在测试装置中的测试样品保持并移动探针。
在利用探针进行测量的过程中，借助于连接到电导体的电流源，将具有恒定振幅的交流电注入电导体28中，即，电流可以是具有选自1Hz-10kHz(诸如1kHz)范围内的基本频率的一定相位的正弦波(一次谐波)。另选地，电流可以是直流电。
代替电流源，可以跨电导体连接电压源，由此电流将在电导体中流动。
电流用于将电导体28加热到高于室温的温度，这可以利用选自10μA至10000μA(诸如2000μA)范围内的振幅的电流来实现，即，传递给电导体的电阻的功率以热量的形式散发。
在本文中，室温指的是15℃-30℃之间的温度，诸如20℃-30℃，或20℃-25℃或25℃-30℃。
另选地，可以将测试样品加热到比电导体更高的温度。
在接近室温时，金属的电阻率通常随温度升高而增加。如果温度T的变化不大，则通常使用线性近似：R(T)＝R0(1+c(T-T0))，其中c是电阻的温度系数，T0是固定的参考温度(通常为室温)，并且R0是在温度T0时的电阻。
然后将探针移向最初处于室温下的测试样品。
探针相对于测试样品的表面以一定角度朝向测试样品移动，即，探针可以相对于测试样品表面的法线以±90°的角度移动。另选地，探针可以相对于测试样品的表面以45°±40°的角度(诸如45°±30°或45°±15°)移动，即，它不沿着平行于测试样品的表面的测试样品移动。
当探针接近测试样品时，由电导体产生的热量的散发会发生变化。当热探测器远离样品表面时，热量主要通过沿着热探测器结构的热传导散发到探针主体中。热探测器越靠近样品表面，所产生的热量通过空气散发到样品本身中的比例就越高。在这种情况下，可以将样品视为恒温下的散热器。
可以预期，随着探针接近测试样品，电导体的温度降低(注入电导体中的电流或跨电导体的电压可以保持恒定)。电导体的温度降低意味着电导体的电阻降低。
测试装置的电子电路用于在探针移向测试样品时测量电导体的电阻。可以使用惠斯通电桥来测量电阻，其中电导体的电阻是桥中使用的四个电阻中的一个。
另选地，可以使用电压表来测量跨导体的电压降(当电流保持恒定时，电压的量度是电阻的量度)。
如果使用电压源来具有跨电导体的恒定电压，则电导体中的所测量的电流就是电导体28的电阻的量度。
电阻的量度(由电子电路的测量电路提供的输出)用作探针与测试样品的接近程度的量度，即，可以将量度与阈值τ进行比较。当电阻的量度达到阈值时，停止探针。
另选地，可以将等效的量度的电阻的量度的变化或电压降的变化用作探针与测试样品的接近程度的量度。
选择阈值，以便使当达到阈值时，接触探针接近测试样品，使得剩下的路其仅必须向着测试样品移动固定距离。
另选地，选择阈值，以便使当达到阈值时，接触探针接触测试样品。
当接触探针与测试样品接触时，可以在接触探针与测试样品之间建立电连接。
热探测器与样品表面之间的距离从着落到着落以及从探针到探针在300nm以内，但优选地在50nm以内应可再现。
阈值可以经由经验测量来确定，或者通过将其确定为热探测器的长度(锚定距离)与悬臂的长度(悬臂的远端与近端之间的距离)之间的差值的函数来确定。
另选地，可以在将电导体中的电流保持在一定值的同时加热测试样品，所述值对电导体的加热程度不如对测试样品的加热程度高，即，电流可以例如为100μA或更低。
当探针移向测试样品时，将用从测试样品中散发的热量加热电导体，并且电导体的电阻会增加。这可以用电子电路测量，并用作热探测器与测试样品的接近程度的量度，即，方法与加热电导体时的方法相反。
还预期到可以将测试样品冷却至低于室温的温度，这也提供了热探测器与测试样品之间的温差。
图3示出了替代实施例，其中热探测器设置有突起。
突起40延伸热探测器的长度，以便使热探测器的远端(现在对应于突起40的远端)从探针主体12延伸到与悬臂一样远，即热探测器的远端与悬臂的远端对齐。通过这种方式，热探测器将基本上与悬臂同时接触测试样品-取决于探针是否倾斜到一定程度。然后，热探测器可以另选地用作应变仪，以便确定探针与测试样品之间的距离。
进一步另选地，突起允许将热探测器用作接触探针，即，热探测器可以具有双重或三重目的。
图4示出了探针的替代实施例。
除了第一热探测器26和悬臂之外，探针包括第二热探测器42，使得可以识别探针的可能倾斜，即，悬臂的尖端(远端)是否平行于测试样品表面。这降低了外悬臂中的一个比预期更深地跳入测试样品的风险。
悬臂在第一热探测器与第二热探测器之间。
如上所解释，第二热探测器以与第一热探测器相同的方式支撑第二电导体，即第二电导体具有电阻，所述电阻是温度依赖性的，并且它相对于探针主体上的第三触垫和探针主体上的第四触垫形成回路，使得它可以用作电路中的电阻。第二热探测器的存在使探针体上的触垫的数量增加了两个。
理想地，使两个热导体尽可能地类似，即具有相同的锚定点/距离和线宽。
图5示出了替代实施例，其中悬臂已被划分并且放置在单个热探测器的相对侧。
图6示出了其中使用单个悬臂的替代实施例。
单个悬臂由诸如氧化膜之类的电绝缘膜44构成。单个悬臂支撑第一接触探针24。在第一接触探针旁边示出了七个其它接触探针。膜44被示出为支撑热探测器的电导体28，但是它可以由与第一膜分开的第二膜支撑。
第一接触探针以相应的远端延伸到膜边缘46，所述膜边缘距探针主体最远。其它接触探针也延伸到膜边缘。
热探测器26的远端到膜边缘46有一段距离，但是它可以一直延伸到膜边缘。
膜允许接触探针以较小的线宽沉积，即，由于每个单独的接触探针的悬臂宽度原本较窄，悬臂可以更紧密地连接在一起而不会断裂。沿着第一边缘的接触探针的尖端之间的距离可以小于1μm。
膜44上的电导体28被示出为相对于探针主体12的回路。
图7示出了探针的替代实施例。
膜44由悬臂18支撑。总共八个悬臂可用于支撑膜，如图7所示。
悬臂与膜一起相对于探针主体形成回路，使得结构比图6中示出的探针更加灵活，其中膜由探针主体支撑。
第一悬臂18支撑接触探针，所述接触探针一直延伸到膜上直至膜边缘46。
两个中间悬臂各自支撑金属膜，所述金属膜所述金属膜延伸到膜上并在膜上结合在一起，从而形成电导体28，所述电导体相对于探针主体形成回路。电导体28可以具有温度依赖性电阻，所述温度依赖性电阻可以以与上面关于图1至6所描述的相同的方式用作热探测器。
金属膜在离膜边缘一段距离的膜上邻接。从邻接点可以将突起40延伸到与接触探针24平行的膜边缘，即，电导体28包含突起40。突起40可以起到应变仪的作用，所述应变仪还可以用于确定探针与测试样品之间的距离。另外，电导体28可以与其它接触探针一起用作接触探针，即，电导体具有三重目的，如也结合图3所描述的那样。
由于膜28，接触探针可以一起靠近放置。在电导体28还用作接触探针的情况下，图7中的探针具有总共七个接触探针，它们在膜上平行延伸并且一起紧密地延伸(比当接触探针由单个悬臂支撑时更近)。
图8示出了利用五个探针进行的测量。
每个探针对应于结合图2至7中的任何一个所描述的探针中的一个，诸如结合图2所描述的探针。还如以上结合图2所描述的那样进行测量例程。
五个探针在制造公差方面有所不同，即锚定位置(从热探测器远端到探针主体的锚定距离α)，并且热探测器远端处的电导体的线宽β和每个探针的电导体28的厚度是不同的(探针的尺寸在微米范围内，这意味着很难用完全相同的锚定距离和线宽来制造每个探针)。
探针1、2和3具有带电导体28的热探测器，所述电导体由厚度为90nm的Ni制成。
探针4和5具有带有电导体28的热探测器，所述电导体由厚度为110nm的Ni制成。
在测量中，当热探测器的电导体被电流加热时，将相应的探针移向测试样品。每个图都示出了所测量的电阻与到测试样品的距离的函数。随着探针接近测试样品，电阻降低。
由于五个探针的几何尺寸不同，五个曲线图彼此偏移。此外，每个探针的灵敏度是不同的，这用具有不同倾斜度的切线来说明(图8中，对于探针3和5，切线示出为距离接近0m)。
图9示出了图8中所示的测量中的每个的归一化结果。在本说明书中，术语“归一化”和“重新调整”可互换使用。
与图8中的曲线图相比，图9中曲线图的偏移较小，并且切线差异较小。
在归一化中，在图8中用Ω表示的所测量的电阻R(T)相对于探测器几何形状的几何尺寸(即锚定距离和线宽)进行归一化。可以仅通过一个参数将所测量的电阻归一化。
图8中的曲线图之间的偏移量是线宽和金属(在这种情况下为Ni)膜厚度的函数，并且灵敏度是锚定距离、线宽以及金属膜厚度的函数。
可以将相应探针的热探测器的线宽测量为以米为单位的物理尺寸。另选地，线宽可以表示为在室温下用足够低的电流测量的电阻，所述电流足够低而不会以可测量的方式改变热探测器的温度(室温下跨电导体的电压降，所述电压降呈现为值V0)。
相应探针的热探测器的锚定距离也可以测量为以米为单位的物理尺寸。另选地，锚定距离可以表示为在室温下测量的电阻与在高于室温的温度下测量的电阻之间的差值(诸如高于室温的5℃或10℃，这取决于流过热探测器的电流)。
例如，在第一测量中，将具有第一振幅(诸如100μA)的第一电流注入电导体中，并且测量电导体的对应电阻。
在第二测量中，将具有第二振幅(诸如1000μA)的第二电流注入电导体，并且测量电导体的对应电阻(在较高温度下电导体上的电压降，所述电压降呈现为VT)。第二电流将电导体的温度升高到高于室温的温度。
然后使用两次测量之间的差值ΔV＝V0-VT来表示锚定距离。
使用测量值V0和ΔV，例如可以通过将电导体的电阻除以每个输出的平方来重新调整电导体的电阻度量：
Figure GDA0004237934940000121
重新调整的电阻y是所测量的电阻、在室温下测量的电阻以及在高于室温的温度下的电阻的函数。
另选地，可将所测量的电阻R(T)与R'之间的差值用于计算重新调整的电阻，其中R'是在距样品足够远的距离处测量的电阻，以便使电导体的电阻不受测试样品的接近度的影响。在图8中，R'可以是在例如100μm处测量的电阻，所述电阻是离样品最远的测量。
在这种情况下：
Figure GDA0004237934940000122
在图9中示出了上述重新调整的电阻y，并且所述电阻是所测量的电阻R(T)和R'与在室温下测量的电阻以及在高于室温的温度下的电阻之间的差值的函数。
与图8中的曲线图相比，重新调整使测量更接近，即图9中的曲线图之间的偏移变得更小，并且五个探针之间的灵敏度差异也更小。
图10示出了电导体的所测量的电阻的进一步重新调整的结果。
与图9中的重新调整曲线图相比。图10中的曲线图具有更小的偏移和更小的切线差。
在进一步的重新调整中，将所测量的电阻重新调整(乘以)电导体的厚度ω，即沉积在热探测器上的金属膜层的厚度。厚度可以从沉积过程中获知，或者可以通过电测量来确定。
使用厚度ω，可以通过例如将其乘以厚度的平方来进一步重新调整电导体的归一化电阻y1：
Figure GDA0004237934940000131
因此，进一步重新调整的电阻y1'是所测量的电阻、和在室温下测量的电阻、和在高于室温的温度下的电阻以及电导体的厚度的函数。
在进一步重新调整的另一个示例中，重新调整的电阻y由电导体厚度ω的平方(即沉积在热探测器上的金属膜层的厚度)重新调整(相乘)：
Figure GDA0004237934940000132
因此，图10中所示的进一步重新调整的电阻y'是所测量的电阻与R'之间的差值、和在室温下测量的电阻、和在高于室温的温度下的电阻以及电导体的厚度的函数。
与图9中的曲线图相比，归一化使测量更接近，即，图10中的曲线图之间的偏移变得更小，并且五个探针之间的灵敏度差异也更小。
图11示出了图10的圆圈区域II中的曲线图的放大图。
当达到阈值(在-1.000到-2.000之间选择，并且在当前情况下τ＝-1.600)时停止每个探针。
放大表明归一化不一定会使五个探针的测量相同，并且在距测试样品不同的位置/距离处停止探针。无论在哪个阈值处停止探针，在最靠近测试样品(探针1)时停止的探针与在离测试样品(探针5)最远处停止的探针之间存在相应的差值(误差ε)。在阈值τ＝-1.600时，差值为200nm。
为了确定哪个阈值使误差ε低于某个(第二)阈值，可以进行使用多个探针的多个测量。由于不希望探针太深地进入测试样品，因此可以接受一定的误差(诸如200nm)。
因此，可以将确定决定何时停止探针的阈值τ确定为误差ε的函数，例如，根据如上所述利用五个探针进行的经验实验，即当误差ε低于某个值(诸如200nm或100nm或50nm)，当误差低于该值时所测量的电导体的电阻可用作在实际测量待测样品中要停止探针的阈值。在图11中所示的经验实验中，如上所述，确定的阈值τ＝-1.600。
当重新调整完成后，可以与所有具有相同设计(即，相同的几何形状、相同的尺寸，诸如在制造公差范围内的锚定距离和线宽)以及相同的材料的热探测器一起使用。当热探测器具有突起时，突起的几何形状也必须相同(在制造公差范围内)。
如果已经校准了热探测器，即已经测量了距离与热信号的关系，则由于重新调整，所有其它相同设计的热探测器也被校准。热信号是电导体的测量电阻R(T)，其中图8示出了一个示例。
因此，重要的是，通过校准，可以知道在采用该设计的所有热探测器所测量的任何给定热信号下到测试样品表面的距离。
作为用于电导体的电阻的温度依赖性分量的替代测量程序，提出了高次谐波滤波。
在这种方法中，使用注入到电导体中的交流电来测量电导体28的电阻，即，电流可以是具有选自1Hz-10kHz(诸如1kHz)范围内的基本频率的一定相位的正弦波(一次谐波)。
如上所述，电流可以用于加热电导体，或者可以用其它方式在电导体与测试样品之间建立温差。
然后，使用诸如惠斯通电桥或电压表之类的电子电路来测量电导体的电阻。
然后借助于具有低于第一频率的二次谐波的截止频率的高通滤波器对所测量的电阻进行滤波，即，相对于高次谐波抑制一次谐波。另选地，可以利用围绕特定的高阶谐波(诸如二次谐波)的带通滤波器中心对所测量的电阻进行滤波，使得可以相对于一次谐波来放大所选择的谐波分量。
然后可以将滤波后的信号用作热探测器与测试样品之间得接近度的量度。因此，当将探针移向测试样品时，当滤波信号达到阈值时停止探针。如上所述，可以凭经验确定这种阈值。
以下给出在本发明的详细描述中使用的参考符号的列表以及在本发明的详细描述中参考的附图。
参考列表
α 锚定距离
β 热探测器的线宽
ω 电导体的厚度，即金属膜厚度
10 探针
12 探针主体
14 触垫
16 电线
18 悬臂
22 测试样品
24 接触探针
26 热探测器
28 电导体
30 远端
32 前表面
34 第一臂
36 第二臂
38 前段
40 突起
42 第二热探测器
44 膜
46 膜边缘
48 探测器端

Claims (15)

1.一种使探针接近测试样品以测试所述测试样品的电气性能的方法，所述方法包括：
提供具有限定用于支撑第一悬臂的平坦表面的探针主体的探针，和第一热探测器，
-所述第一悬臂在所述平坦表面支撑的第一近端与与所述第一近端相对的第一远端之间以相对于所述平坦表面共面的关系从所述探针主体延伸，
所述第一悬臂具有支撑第一接触探针的悬臂表面，
-所述第一热探测器在所述平坦表面支撑的第二近端与与所述第二近端相对的第二远端之间以相对于所述平坦表面共面的关系从所述探针主体延伸，所述第一热探测器具有支撑具有温度依赖性电阻的电导体的探测器表面，以及提供支撑所述第一热探测器和所述第一接触探针的膜，其中所述第一热探测器的远端距所述膜的顶部边缘有第一距离，且所述第一接触探针的远端延伸到所述膜的所述顶部边缘，以及
所述方法进一步包括：
在所述电导体与所述测试样品之间建立温差，
在所述电导体中注入电流，
提供电子电路，将所述电子电路连接到所述电导体，在将所述探针移向所述测试样品的同时借助于所述电子电路测量所述温度依赖性电阻，并且当所述温度依赖性电阻达到表示所述接触探针接近或接触所述测试样品的发生的第一阈值时停止所述探针。
2.根据权利要求1所述的方法，所述探针具有以相对于所述平坦表面共面的关系从所述探针主体延伸的第二悬臂。
3.根据权利要求1或2所述的方法，包括通过测量跨所述温度依赖性电阻的电压降来测量所述温度依赖性电阻。
4.根据权利要求1或2所述的方法，所述探针具有以相对于所述平坦表面共面的关系从所述探针主体延伸的第二热探测器。
5.根据权利要求1或2所述的方法，所述第一热探测器相对于所述探针主体限定回路。
6.根据权利要求1或2所述的方法，包括提供加热器或冷却器，用于建立所述电导体与所述测试样品之间的所述温差。
7.根据权利要求1或2所述的方法，所述电流具有使得所述电导体被加热到高于室温的温度的振幅。
8.一种用于测试测试样品的电气性能的系统，所述系统包括：具有限定用于支撑第一悬臂的平坦表面的探针主体的探针，和第一热探测器，
-所述第一悬臂在所述平坦表面支撑的第一近端与与所述第一近端相对的第一远端之间以相对于所述平坦表面共面的关系从所述探针主体延伸，
所述第一悬臂具有支撑第一接触探针的悬臂表面，
-所述第一热探测器在所述平坦表面支撑的第二近端与与所述第二近端相对的第二远端之间以相对于所述平坦表面共面的关系从所述探针主体延伸，所述第一热探测器具有支撑具有温度依赖性电阻的电导体的探测器表面，以及支撑所述第一热探测器和所述第一接触探针的膜，其中所述第一热探测器的远端距所述膜的顶部边缘有第一距离，且所述第一接触探针的远端延伸到所述膜的所述顶部边缘，以及
所述系统进一步包括：
用于在所述电导体与所述测试样品之间建立温差的加热器或冷却器，
与所述电导体互连的电源，用于在所述温度依赖性电导体中注入电流，用于将所述探针移向所述测试样品的致动器，以及
与所述电导体互连的电子电路，用于测量所述温度依赖性电阻，并且将所述温度依赖性电阻与阈值进行比较。
9.一种归一化热探测器的测量的方法，所述热探测器测量在所述热探测器与测试样品之间的接近度，所述方法包括：
提供具有限定用于支撑热探测器的平坦表面的探针主体的探针，
所述热探测器在所述平坦表面支撑的近端与与所述近端相对的远端之间以相对于所述平坦表面共面的关系从所述探针主体延伸，
所述热探测器限定具有第一几何尺寸的探测器几何形状，并且具有支撑具有温度依赖性电阻的电导体的探测器表面，以及
提供支撑所述热探测器的膜，其中所述热探测器的远端距所述膜的顶部边缘有第一距离，以及
所述方法进一步包括：
在所述电导体中注入电流，
提供电子电路，将所述电子电路连接到所述电导体，并且借助于所述电路测量所述电阻以提供输出，
基于所述第一几何尺寸调整所述输出以相对于所述探测器几何形状数学归一化所述输出。
10.根据权利要求9所述的方法，包括用室温下的所述温度依赖性电阻的量度来表示所述第一几何尺寸。
11.根据权利要求9或10所述的方法，所述探测器几何形状具有第二几何尺寸，并且所述方法进一步包括基于所述第二几何尺寸调整所述输出以相对于所述探测器几何形状数学归一化所述输出。
12.根据权利要求11所述的方法，包括用室温下的所述温度依赖性电阻与高于室温的温度下的所述温度依赖性电阻之间的差值的量度来表示所述第二几何尺寸。
13.一种确定热探测器与测试样品之间的接近度的方法，所述方法包括：
提供具有限定用于支撑热探测器的平坦表面的探针主体的探针，
所述热探测器在所述平坦表面支撑的近端与与所述近端相对的远端之间以相对于所述平坦表面共面的关系从所述探针主体延伸，
所述热探测器限定具有第一几何尺寸的探测器几何形状，并且具有支撑具有温度依赖性电阻的电导体的探测器表面，以及
提供支撑所述热探测器的膜，其中所述热探测器的远端距所述膜的顶部边缘有第一距离，以及
所述方法进一步包括：
在所述电导体与所述测试样品之间建立温差，
在所述电导体中注入具有第一频率的交流电，
提供电子电路，将所述电路连接到所述电导体，借助于所述电子电路测量所述电阻，并且在将所述探针移向所述测试样品的同时提供输出，
提供具有低于所述第一频率的二次谐波的截止频率的滤波器，借助于所述滤波器对所述输出进行滤波，并且提供滤波后的信号，
使用所述滤波后的信号作为所述热探测器与所述测试样品之间的所述接近度的量度。
14.根据权利要求13所述的方法，通过将所述输出从时域转换到频域，并且相对于高于所述截止频率的所述输出的幅度降低低于所述截止频率的所述输出的幅度，来在所述频域中提供所述滤波器。
15.根据权利要求13所述的方法，所述滤波器是围绕经给定的谐波的高通滤波器或带通滤波器。
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