DE10110933B4

DE10110933B4 - Mikrosonde und Abtastsondenvorrichtung mit der Mikrosonde

Info

Publication number: DE10110933B4
Application number: DE10110933A
Authority: DE
Inventors: Nobuhiro Shimizu; Hiroshi Takahashi; Yoshiharu Shirakawabe; Jurgen P. Brugger; Walter Häberle; Gerd K. Binnig; Peter Vettiger
Original assignee: SII NanoTechnology Inc
Current assignee: Hitachi High Tech Science Corp
Priority date: 2000-03-13
Filing date: 2001-03-07
Publication date: 2013-08-22
Anticipated expiration: 2021-03-08
Also published as: JP2001255257A; DE10110933A1; JP3785018B2; US20020020805A1; US6667467B2

Abstract

Mikrosonde (200), welche Folgendes aufweist: – einen beweglichen Abschnitt (201k) mit einem ersten Messtaster (201p) in einem ersten freitragenden Abschnitt (201o), welcher einen ersten Spitzegrad aufweist, und einem zweiten Messtaster (201n) in einem zweiten freitragenden Abschnitt (201m), welcher einen zweiten Spitzegrad aufweist; – einen Halterungsabschnitt (201) zum flexiblen Haltern des beweglichen Abschnitts (201k); – einen ersten feststehenden Abschnitt (201e), der den beweglichen Abschnitt (201k) über einen ersten Auslenkungsabschnitt (201i) mit dem Halterungsabschnitt (201) verbindet; – einen zweiten Abschnitt (201f), der den beweglichen Abschnitt (201k) über einen zweiten Auslenkungsabschnitt (201j) mit dem Halterungsabschnitt (201) verbindet; und – eine Heizeinrichtung (202), welche an dem zweiten Abschnitt (201f) angeordnet und ausgelegt ist, den beweglichen Abschnitt (201k) auszulenken, wobei am ersten und zweiten Auslenkungsabschnitt (201i, 201j) jeweils ein Piezowiderstandselement (2041, 2042) angeformt ist, wobei ein Betrag der Auslenkung des beweglichen Abschnitts (201k) als Änderungen der Widerstandswerte der Piezowiderstandselemente (2041, 2042) erfasst wird, und wobei die Heizeinrichtung (202) ein Piezowiderstandselement aufweist und Wärme durch Liefern von Strom an das Piezowiderstandselement erzeugt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Anwendungsgebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mikrosonde, die zur Beobachtung eines sehr kleinen Bereichs (im Nanometerbereich) einer Probenoberfläche verwendet wird, und eine Vorrichtung des Abtastsondentyps, die diese verwendet.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Die Druckschrift M. DESPONT ET AL.: „Dual-Cantilever AFM Probe for combining fast and coarse imaging with high-resolution imaging” (Proceedings IEEE Thirteenth Annual Internat. Conf. on Micro Electro Mechanical Systems, pp. 126-131, 23-27 Jan. 2000) ist eine wissenschaftliche Veröffentlichung, die einen Mikrosondenaufbau mit einem Dual-Cantilever betrifft, wobei dieser Aufbau ausgelegt ist, den Verschleiß der Abtastspitzen zu reduzieren. Das herkömmliche System umfasst zwei Cantilever bzw. Armabschnitte, wobei einer dieser Cantilever bzw. Armabschnitte einen Messtaster mit einer relativ groben, abgerundeten Spitze und der andere Cantilever einen Messtaster mit einer spitz zulaufenden Spitze aufweist. Somit scheint aus diesem Stand der Technik eine Mikrosonde bekannt zu sein, welche einen ersten freitragenden Armabschnitt mit einem Messtaster mit einem vorderen Endabschnitt und einen zweiten freitragenden Armabschnitt mit einem Messtaster mit einem vorderen Endabschnitt aufweist, wobei der vordere Endabschnitt des ersten Messtasters einen ersten Spitzegrad und der vordere Endabschnitt des zweiten Messtasters einen zweiten Spitzegrad aufweist. Beim Stand der Technik wird ein in den Armabschnitten integriertes Betätigungsmittel verwendet, um eine Umschaltung zwischen der abgerundeten Spitze für die Schnellabtastung und der spitz zulaufenden Spitze für die Abtastung mit hoher Auflösung zu ermöglichen. Zusätzlich kommt für die hochauflösende Abtastung ein Piezowiderstand-Dehnungsmesssensor zum Einsatz. Das für die Umschaltung zwischen den beiden Messmodi zum Einsatz kommende Betätigungsmittel ist als Heizelement ausgeführt, welches an dem Armabschnitt mit der abgerundeten Messspitze angeordnet ist.
Die Druckschrift WO 97/34122 A1 beschreibt eine Cantileveranordnung zum Abtasten einer Oberfläche. Die aus diesem Stand der Technik bekannte Anordnung weist einen ersten Armabschnitt mit einem ersten Messtaster und einen zweiten Armabschnitt mit einem zweiten Messtaster auf. Beide Armabschnitte sind mechanisch miteinander gekoppelt, so dass der zweite Armabschnitt der Bewegung des ersten Armabschnittes folgt.
Die Druckschrift D. LANGE ET AL.: „Parallel scanning AFM with on-chip circuitry in CMOS technology” (Twelfth IEEE Intern. Conf. on Micro Electro Mechanical Systems, pp. 447-452, 1999) beschreibt eine Dual-Cantilever-Mikrosonde für ein Rasterkraftmikroskop. Das herkömmliche System umfasst zwei Armabschnitte für die parallele Abtastung, thermische Betätigungsmittel zum unabhängigen Auslenken der beiden Armabschnitte sowie Sensoren zum Erfassen der Auslenkung dieser Armabschnitte. Es werden zwei dehnungssensitive MOS-Transistoren als Erfassungselemente verwendet. Darüber hinaus sind drei thermische Betätigungsmittel an einem Armabschnitt angeordnet, um den Armabschnitt auslenken zu können. Aus diesem Grund ist der Armabschnitt in einen Betätigungsabschnitt, wo zwei der drei thermischen Betätigungsmittel angeordnet sind, und in einen Erfassungsabschnitt eingeteilt.
Die Druckschrift US 6 028 305 A beschreibt eine weitere Dual-Cantilever-Mikrosonde. Das herkömmliche System umfasst zwei Armabschnitte, wobei jeder Armabschnitt mit einer Messspitze versehen ist, die einen bestimmten Spitzegrad aufweist. Das herkömmliche System weist ferner ein erstes Betätigungsmittel (136) zum Auslenken des ersten Armabschnittes (132), sowie ein zweites Betätigungsmittel (146) zum Auslenken des zweiten Armabschnittes (142) auf.
Die Druckschrift US 5 929 643 A beschreibt ein Rastermikroskop, welches einen ersten und einen zweiten Sensor aufweist. Darüber hinaus ist das herkömmliche System mit einer Einrichtung zum relativen Bewegen der ersten Messprobe und der abzutastenden Probe in einer dreidimensionalen Art und Weise versehen. Dieses Betätigungsmittel jedoch ist als Mikro-Servosystem, und nicht als Heizeinrichtung ausgebildet.
Derzeit wird als eines der Mikroskope zur Beobachtung eines sehr kleinen Bereichs in der Nanometer-Grössenordnung einer Probenoberfläche ein Sonden-Elektronenmikroskop (Scanning Probe Microscope – SPM) verwendet. Bei einem Mikroskop des Abtastsondentyps verwendet ein Atomkraftmikroskop (Atomic Force Microscope – AFM) einen freitragenden Arm der an seinem vorderen Endabschnitt mit einem Messtaster als Mikrosonde versehen ist, wobei der Messtaster des freitragenden Arms veranlasst wird, die Oberfläche einer Probe abzutasten, und die Wechselwirkung (Anziehungs- oder Abstossungskraft oder dgl.) zwischen der Probenoberfläche und dem Messtaster wird als Betrag der Auslenkung des freitragenden Arms erfasst, wodurch die Form der Probenoberfläche gemessen werden kann.
Der Betrag der Auslenkung des freitragenden Arms wird durch Bestrahlen einer Oberfläche eines vorderen Endes des freitragenden Arms mit einem Strahlungsbündel wie etwa einem Laserstrahl und durch Messen des Reflexionswinkels des von der Oberfläche des vorderen Endes reflektierten Strahls erfasst. Tatsächlich ergibt sich der Reflexionswinkel durch Verwenden eines optischen Detektors einer Photodiode oder dgl. dividiert durch zwei und aus einer Intensitätsverteilung des an den jeweiligen Detektorabschnitten empfangenen Strahls.
Zur Beobachtung der Probe durch AFM wird im allgemeinen ein freitragender Arm mit einem Meßtaster gewählt, dessen Schärfe entsprechend der Beobachtungsgenauigkeit und dem Beobachtungsbereich variiert, und der freitragende Arm wird an einer Vorrichtung montiert. Soll beispielsweise ein breiter Bereich in der Größenordnung Mikrometer mit hoher Geschwindigkeit gemessen werden, wird ein freitragender Arm mit einem Meßtaster geringer Schärfe, wenn auch niedriger Auflösung verwendet (im folgenden 'freitragender Arm für niedrige Auflösung' bezeichnet), wohingegen ein freitragender Arm mit einem Meßtaster großer Schärfe (im folgenden 'freitragender Arm für hohe Auflösung' bezeichnet) verwendet wird, wenn ein schmaler Bereich in der Größenordnung Nanometer mit hoher Auflösung gemessen werden soll.
Auf diese Weise ergibt sich die Notwendigkeit, einen freitragenden Arm entsprechend dem Beobachtungsobjekt auszuwechseln, und diese Auswechseloperation ist aufgrund der Feineinstellung des Bestrahlungswinkels des oben beschriebenen Bestrahlungsbündels oder des Einfallswinkels eines optischen Detektors oder dgl. aufwendig. Des weiteren verschiebt sich vor und nach der Auswechseloperation die Beobachtungsstellung häufig erheblich, und es ist schwierig, die Probe genau zu beobachten.
Deshalb wird eine Mikrosonde des Doppelhebeltyps vorgeschlagen, die sowohl den freitragenden Arm für niedrige Auflösung als auch den freitragenden Arm für hohe Auflösung, die in einem gemeinsamen Halterungsabschnitt verbunden sind, besitzt. Insbesondere ist bei der Mikrosonde des Doppelhebeltyps entsprechend dem Beobachtungsobjekt durch Umschalten der Aktivierung mittels der Wärmedehnung des Heizelements ein Umschalten zwischen den beiden freitragenden Armen möglich.
12 ist eine perspektivische Ansicht einer Mikrosonde 1 des Doppelhebeltyps, die den Aufbau wesentlicher Abschnitte einer Vorrichtung des Abtastsondentyps, in der diese verwendet wird, zeigt. Außerdem zeigt 12 eine Seitensicht zur Verdeutlichung der Funktionsweise der Mikrosonde 1 des Doppelhebeltyps.
In 12 ist die Mikrosonde 1 über einer Probe 4 angeordnet und besteht aus Silizium als Basismaterial, und ein Halterungsabschnitt 1a ist mit einem freitragenden Armabschnitt 1b für niedrige Auflösung und einem freitragenden Armabschnitt 1d für hohe Auflösung ausgebildet. Wie aus 12 ersichtlich ist, werden der freitragende Armabschnitt 1b für niedrige Auflösung und der freitragende Armabschnitt 1d für hohe Auflösung vom Halterungsabschnitt 1a so gehaltert, daß sie in Minusrichtung der y-Achse hervorragen, die in der Zeichnung von einer Endkante des Halterungsabschnitts 1a aus verläuft, und voneinander in einem Abstand 1f getrennt sind. Des weiteren ist im tatsächlichen Betrieb der Halterungsabschnitt 1a in einem Einspannelement (nicht dargestellt) eingespannt.
Des weiteren wird die Probe 4 in der xy-Ebene und in Richtung der z-Achse wie in der Zeichnung dargestellt ist durch Stellelement (nicht dargestellt) verschoben, wodurch die Mikrosonde 1 die Oberfläche der Probe abtastet und eine Näherungssteuerung zwischen der Mikrosonde 1 und der Probenoberfläche vorgenommen wird.
Des weiteren sind der freitragende Armabschnitt 1b für niedrige Auflösung und der freitragende Armabschnitt 1d für hohe Auflösung so geformt, daß sie wie in der Zeichnung gezeigt in Richtung der z-Achse ausgelenkt werden, wobei Abschnitte davon mit dem Halterungsabschnitt 1a als Auslenkungsabschnitte verklebt sind. Außerdem ist ein vorderer Endabschnitt des freitragenden Armabschnitts 1b für niedrige Auflösung mit einem spitzen Meßtaster 1c für niedrige Auflösung ausgeformt, der in Minusrichtung der z-Achse weist.
Der Meßtaster 1c für niedrige Auflösung befindet sich nahe an der Probenoberfläche 4a der Probe 4, seine Schärfe ist geringer als die Schärfe eines Meßtasters 1e für hohe Auflösung, der später erörtert wird, und seine Länge in Richtung der z-Achse ist größer als die Länge des Meßtasters 1e für hohe Auflösung. Das heißt, daß der Meßtaster 1c für niedrige Auflösung (der freitragende Armabschnitt 1b für niedrige Auflösung) verwendet wird, um einen weiten Bereich mit niedriger Auflösung zu messen.
Ein vorderer Endabschnitt des freitragenden Armabschnitts 1d für hohe Auflösung ist mit einem spitzen Meßtaster 1e für hohe Auflösung so ausgeformt, daß dieser in Minusrichtung der z-Achse weist. Der Meßtaster 1e für hohe Auflösung ist dementsprechend schärfer als der Meßtaster 1c für niedrige Auflösung und die Länge in Richtung der z-Achse ist kürzer als die des Meßtasters 1c für niedrige Auflösung. Das heißt, daß der Meßtaster 1e für hohe Auflösung (der freitragende Armabschnitt 1d für hohe Auflösung) verwendet wird, um einen schmalen Bereich mit hoher Auflösung zu messen.
Wie oben beschrieben erfolgt die Erfassung der Auslenkung des freitragenden Armabschnitts 1b für niedrige Auflösung und des freitragenden Armabschnitts 1d für hohe Auflösung durch Messen der Reflexion des von den Oberflächen der freitragenden Arme reflektierten Strahls. Die Erfassung der Auslenkung des freitragenden Armabschnitts 1b für niedrige Auflösung erfolgt in der Weise, daß ein von einem lichtabstrahlenden Element 5 ₁ abgestrahlter Strahl La₁ reflektiert und der Reflexionsstrahl Lb₁ von einem lichtempfangenden Element 6 ₁ empfangen wird. Die Erfassung der Auslenkung des freitragenden Armabschnitts 1d für hohe Auflösung erfolgt ähnlich, d. h. ein von einem lichtabstrahlenden Element 5 ₂ abgestrahlter Strahl La₂ wird reflektiert und der Reflexionsstrahl Lb₂ wird von einem lichtempfangenden Element 6 ₂ empfangen.
Des weiteren ist beim freitragenden Armabschnitt 1b wie aus 13 zu ersehen ist ein Heizelement 3 für die oben erwähnte Umschaltoperation auf einer Oberfläche auf der Seite des Meßtasters 1c für niedrige Auflösung ausgeformt. Das Heizelement 3 ist insbesondere an einem Verklebungsabschnitt (Auslenkungsabschnitt) zum Verkleben des freitragenden Armabschnitts 1b für niedrige Auflösung mit dem Halterungsabschnitt 1a ausgeformt und wird durch Einleiten von Elektrizität über eine Verdrahtung (nicht dargestellt) erwärmt; der freitragende Armabschnitt 1b für niedrige Auflösung kann in Plusrichtung der z-Achse am Abschnitt des Heizelements 3 durch Wärmedehnung des Heizelements 3 an sich oder durch eine Differenz der Wärmedehnung an der Seite des freitragenden Armabschnitts 1b mit dem Heizelement 3 und der dieser gegenüber liegenden Seite ausgelenkt werden.
Die Temperatur des Heizelement 3 vor der Auslenkung des freitragenden Armabschnitts 1b für niedrige Auflösung ist hier mit T₀ gekennzeichnet, und die Temperatur des Heizelements 3 zum Auslenken des freitragenden Armabschnitts 1b für niedrige Auflösung (Betriebstemperatur) ist mit (T > T₀) gekennzeichnet.
Deshalb wird bei einer Vorrichtung des Abtastsondentyps, die die Mikrosonde 1 verwendet, ein Anfangszustand, d. h. ein Zustand, in dem die Temperatur des Heizelements 3 T₀ beträgt, so eingestellt, daß der Meßtaster 1c für niedrige Auflösung mit einer größeren Höhe als der Meßtaster 1e für hohe Auflösung näher an der Probenoberfläche 4a liegt als der Meßtaster 1e für hohe Auflösung, und in diesem Zustand eine Beobachtung eines weiten Bereichs mit niedriger Auflösung erfolgen kann.
Ist der freitragende Armabschnitt 1b für niedrige Auflösung in Plusrichtung der z-Achse durch eine Temperaturerhöhung des Heizelements 3 auf die Betriebstemperatur T aufgrund des Stromflusses zum Heizelement 3 ausgelenkt, stellt sich ein Zustand ein, in dem die Seite des Meßtasters 1e für hohe Auflösung näher an der Probenoberfläche 4a liegt als der Meßtaster 1c für niedrige Auflösung, und dementsprechend kann eine Beobachtung eines schmalen Bereichs mit hoher Auflösung vorgenommen werden.
Bei der oben beschriebenen Mikrosonde des Doppelhebeltyps kann also der Meßtaster so geschaltet werden, daß ausschließlich entweder eine Beobachtung eines weiten Bereichs bei niedriger Auflösung oder eine Beobachtung eines schmalen Bereichs bei hoher Auflösung durchgeführt wird, ohne eine Umschaltoperation des Meßtasters vorzunehmen.
Gemäß der Mikrosonde 1 und einer Vorrichtung des Abtastsondentyps, die diese verwendet, sind jedoch notwendigerweise zwei Wege der Detektoreinheiten einer Detektoreinheit zur Erfassung des Betrags der Auslenkung des freitragenden Armabschnitts 1b für niedrige Auflösung (lichtabstrahlendes Element 5 ₁ und lichtempfangendes Element 6 ₁) und einer Detektoreinheit zur Erfassung des Betrags der Auslenkung des freitragenden Armabschnitts 1d für niedrige Auflösung (lichtabstrahlendes Element 5 ₂ und lichtempfangendes Element 6 ₂) erforderlich.
Deshalb ergibt sich gemäß der herkömmlichen Mikrosonde 1 und einer Vorrichtung des Abtastsondentyps, die diese verwendet, das Problem, daß für zwei Wege der Detektoreinheiten individuell eine Feineinstellung der Einbaupositionen und Winkel erforderlich ist und daß des weiteren der Aufbau kompliziert wird, weil die beiden Wege der Detektoreinheiten notwendig sind.
Des weiteren liegt bei der herkömmlichen Mikrosonde 1 und einer Vorrichtung des Abtastsondentyps, die diese verwendet, eine unvermeidliche herstellungsbedingte Abweichung der Erfassungseigenschaften der beiden Wege der Detektoreinheiten vor, was das Problem zeitigt, daß die Maßgenauigkeit aufgrund dieser Abweichung in der Praxis beeinträchtigt wird.
Deshalb ist herkömmlicherweise zur Lösung des Problems durch die beiden Wege der Detektoreinheiten ein Aufbau denkbar, bei dem anstelle der zwei Wege der Detektoreinheiten ein Weg einer Detektoreinheit verwendet wird, der sich des Lichtes eines Lichtstrahls bedient, dessen Durchmesser hinreichend groß ist, um die vorderen Endabschnitte sowohl des freitragenden Armabschnitts 1b für niedrige Auflösung als auch des freitragenden Armabschnitts 1d für hohe Auflösung zu erfassen.
Beim Aufbau mit einem Weg einer Detektoreinheit im Vergleich zum Aufbau mit zwei Wegen der Detektoreinheiten wird zwar ein Vorteil dadurch erzielt, daß der Aufbau vereinfacht wird; in Anbetracht der Tatsache jedoch, daß der Durchmesser des Lichtstrahls umgekehrt proportional zur Meßgenauigkeit ist, geht dies allerdings mit einer Verschlechterung der Meßgenauigkeit einher und deshalb löst der eine Weg einer Detektoreinheit nicht notwendigerweise alle der oben beschriebenen Problemen gleichzeitig.
Des weiteren ist beschrieben worden, daß bei der herkömmlichen Mikrosonde 1 und einer Vorrichtung des Abtastsondentyps, die diese verwendet, bei jeder Messung eine Feineinstellung der jeweiligen Einbaupositionen und Lichtwinkel der lichtabstrahlenden Elemente 5 ₁ und 5 ₂ sowie der lichtempfangenden Elemente 6 ₁ und 6 ₂ in der Praxis erforderlich ist, da die Größenordnung der Messung im Nanometerbereich extrem klein ist, und dementsprechend stellt sich das Problem, daß die Feinpositionierung und Winkelfeinstellung etliche Male wiederholt werden müssen, was eine sehr zeitaufwendige Operation bedeutet.
Die Erfindung ist angesichts dieses Hintergrunds erfolgt und hat die Aufgabe, eine Mikrosonde bereitzustellen, die in der Lage ist, den Aufbau zu vereinfachen, die Genauigkeit bei der Messung einer Probenoberfläche zu verbessern und die Ausrichteinstellung bei jeder Meßoperation überflüssig zu machen, sowie eine Vorrichtung des Abtastsondentyps bereitzustellen, die diese verwendet.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Zur Lösung des oben beschriebenen Problems und zur Erfüllung der Aufgabe wird eine Mikrosonde gemäß Patentanspruch 1 sowie eine Vorrichtung vom Abtastsondentyp gemäß Patentanspruch 3 vorgeschlagen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Ansicht von Konfigurationen von Mikrosonden 100, 200, 300, 400 und 500 sowie Vorrichtungen des Abtastsondentyps 10, 20, 30, 40 und 50 gemäß den Ausführungsformen 1, 2 und 3, wobei nur die Ausführungsform 2 eine exemplarische Ausführungsform der Erfindung darstellt und die Ausführungsformen 1 und 3 nicht beansprucht werden.
2 ist eine vergrößerte Draufsicht des Aufbaus der Mikrosonde 100 gemäß Ausführungsform 1.
3 ist eine Schnittansicht entlang der Linie A-A in 2.
4A ist eine Seitenansicht des Zustands, in dem die Mikrosonde 100 nach Ausführungsform 1 eine Probenoberfläche 11a mit einem ersten Meßtaster 111g abtastet.
4B ist eine Seitenansicht des Zustands, in dem die Mikrosonde 100 nach Ausführungsform 1 die Probenoberfläche 11a mit einem zweiten Meßtaster 130e abtastet.
5A ist eine vergrößerte Draufsicht des Aufbaus der Mikrosonde 100 gemäß Ausführungsform 1.
5B ist eine Seitenansicht des Aufbaus der Mikrosonde 100 gemäß Ausführungsform 1 und eine Ansicht, die einen Zustand zeigt, in dem die Probenoberfläche vom zweiten Meßtaster 130e abgetastet wird.
6 ist eine Draufsicht des Aufbaus der Mikrosonde 200 gemäß Ausführungsform 2 der Erfindung.
7 ist eine Seitenansicht zur Veranschaulichung der Funktionsweise der Mikrosonde 200 gemäß Ausführungsform 2.
8 ist eine Draufsicht des Aufbaus der Mikrosonde 300 gemäß Ausführungsform 3.
9 ist eine Seitenansicht zur Veranschaulichung der Funktionsweise der Mikrosonde 300 gemäß Ausführungsform 3.
10 ist eine Draufsicht des Aufbaus der Mikrosonde 400 gemäß Ausführungsform 3.
11 ist eine Draufsicht des Aufbaus der Mikrosonde 500 gemäß Ausführungsform 3.
12 ist eine perspektivische Ansicht, die den Aufbau der wesentlichen Abschnitte einer herkömmlichen Mikrosonde 1 und einer Vorrichtung des Abtastsondentyps, die diese verwendet, darstellt.
13 ist eine Seitenansicht zur Verdeutlichung der Funktionsweise der herkömmlichen Mikrosonde 1.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Nachstehend wird das Prinzip der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Nachstehend folgt eine detaillierte Erläuterung der Ausführungsformen 1 bis 5 einer Mikrosonde und einer Vorrichtung des Abtastsondentyps, die diese verwendet, unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
(Ausführungsform 1)
1 ist eine Ansicht mit Konfigurationen einer Mikrosonde 100 und einer Vorrichtung des Abtastsondentyps 10, die diese verwendet gemäß Ausführungsform 1. 2 ist eine vergrößerte Draufsicht, die den Aufbau der Mikrosonde 100 von 1 zeigt, und 3 ist eine Schnittansicht entlang der Linie A-A in 2. 4 zeigt Schnittansichten der Mikrosonde 100 von 2.
In der Vorrichtung 10 des Abtastsondentyps nach 1 ist eine Probe 11 ein Meßobjekt, und der Zustand der Probenoberfläche 11a ist zu beobachten. Ein Stellelement 12 verschiebt die Probe 11 in der in der Zeichnung dargestellten xy-Ebene und in Richtung der z-Achse und wird von einem Treibersignal Sm für das Stellelement von einer später zu beschreibenden Steuerungseinheit 13 angesteuert.
Die Mikrosonde 100 ist über der Probe 11 angeordnet und erfaßt mittels eines auf ihrer Oberfläche angeordneten Piezowiderstandselementes den Zustand der Oberfläche 11a der Probe 11 als Betrag der Auslenkung, die von der oben genannten Wechselwirkung hervorgerufen wird. Die Mikrosonde 100 ist vom Doppelhebeltyp mit zwei Arten freitragender Armabschnitte, einen für niedrige Auflösung (freitragender Armabschnitt 110, wird später in Zusammenhang mit 2 beschrieben) und einen Armabschnitt für hohe Auflösung (freitragender Armabschnitt 130 für hohe Auflösung, wird später in Zusammenhang mit 2 beschrieben) und kann zwischen dem freitragenden Armabschnitt für niedrige Auflösung und dem freitragenden Armabschnitt für hohe Auflösung umgeschaltet werden, indem Elektrizität an Heizabschnitte (Heizabschnitte 112 ₁ und 112 ₂, später zu beschreiben) gemäß einem zu messenden Objekt geliefert wird.
Die Steuerungseinheit 13 führt bezüglich des Stellelements 12 eine Antriebssteuerung aus, eine Verarbeitung zur Ableitung eines Meßergebnisses der Probenoberfläche 11a aus einem von einer Meßeinheit 16 (später zu beschreiben) eingegebenen Meßsignal Sd, die Erzeugung eines Bildsignals Sg zum Anzeigen des Zustandes der Probenoberfläche 11a in einem Bild auf Basis des oben beschriebenen Meßergebnisses und dergleichen mehr. Ein Wahlschalter 14 für den Meßtaster ist ein Schalter zum Umschalten zwischen dem freitragenden Armabschnitt für niedrige Auflösung und dem freitragenden Armabschnitt für hohe Auflösung und zur Wahl eines der beiden für die Meßoperation.
Mit anderen Worten: der Wahlschalter 14 für den Meßtaster ist ein Schalter zur Wahl entweder des Meßmodus mit niedriger Auflösung zur Messung eines weiten Bereichs, in dem der freitragende Armabschnitt für niedrige Auflösung oder des Meßmodus mit hoher Auflösung zur Messung eines schmalen Bereichs, in dem der freitragende Armabschnitt für hohe Auflösung wirksam gemacht wird.
Des weiteren ist eine in 1 dargestellte Treibereinheit 15 für das Heizelement ein Mechanismus zum Liefern von Strom an die oben beschriebenen Heizabschnitte, wenn der freitragende Armabschnitt 130 für hohe Auflösung durch den Wahlschalter 14 für den Meßtaster gewählt wird. Wird dagegen der freitragende Armabschnitt für niedrige Auflösung mittels des Wahlschalters 14 für den Meßtaster gewählt, liefert die Treibereinheit 15 für das Heizelement keinen Strom an die Heizabschnitte.
Des weiteren die Meßeinheit 16 ist elektrisch mit einem leitfähigen Film 134 und einem leitfähigen Film 133 (2) verbunden, mißt die entsprechenden Widerstandswerte der Piezowiderstandselemente (Piezowiderstandselemente 122 ₁ und 122 ₂ oder 131 und 132, die später beschrieben werden) und gibt das Meßergebnis als Meßsignal Sd an die Steuerungseinheit 13 aus. Eine Anzeigeeinheit 17 stellt als Meßergebnis den Zustand der Probenoberfläche 11a als Bild auf Basis des Bildsignals Sg, das von der Steuerungseinheit 13 eingegeben wird, dar.
Im folgenden wird eine detaillierte Beschreibung des Aufbaus der oben beschriebenen Mikrosonde 100 unter Bezugnahme auf 2 und 3 gegeben. Die in 2 dargestellte Mikrosonde 100 ist mit einem Halterungsabschnitt 101 ausgeformt, wobei der freitragende Armabschnitt 110 für niedrige Auflösung vom Halterungsabschnitt 101 in Richtung der z-Achse flexibel gehaltert wird, wie in der Zeichnung dargestellt, und der freitragende Armabschnitt 130 für hohe Auflösung in ähnlicher Weise flexibel in Richtung der z-Achse vom Halterungsabschnitt 101 gehaltert wird.
Der freitragende Armabschnitt 110 für niedrige Auflösung wird wie oben erwähnt für die Meßoperation eines weiten Bereichs mit niedriger Auflösung verwendet, während der freitragende Armabschnitt 130 für hohe Auflösung für die Meßoperation eines schmalen Bereichs mit hoher Auflösung verwendet wird.
Der freitragende Armabschnitt 110 für die niedrigere Auflösung besteht aus einem Siliziummaterial und ist aus einem Heizschichtabschnitt 111a, einem Heizschichtabschnitt 111b, einem Auslenkungsabschnitt 111c, einem Auslekungsabschnitt 111d und einem beweglichen Abschnitt 111e aufgebaut. Die Heizschichtabschnitte 111a und 111b sind jeweils in Plusrichtung der y-Achse aus einer Endkante des Halterungsabschnitts 101 herausgeführt und in gleichbleibendem Abstand zueinander in Richtung der x-Achse angeordnet.
Wie aus 3 ersichtlich ist, besteht der Heizschichtabschnitt 111a aus dem Heizabschnitt 112 ₁, der ein Piezowiderstandselement aufweist, das durch Dotieren von Ionen in ein Siliziumsubstrat 119 gebildet wird, einer Isolierschicht 120 aus SiO₂ oder dgl., die auf Oberflächen des Siliziumsubstrats 119 und dem Heizabschnitt 112 ₁ ausgeformt ist, und einem leitfähigen Film 115 ₁, der auf der Oberfläche der Isolierschicht 120 ausgeformt ist. Die Isolierschicht 120 wird deshalb ausgeformt, um eine Isolierung zwischen der Verdrahtung des Heizelements 112 ₁ und dem leitfähigen Film 115 ₁ sicherzustellen.
Des weiteren und wie später beschrieben spielt der leitfähige Film 115 ₁ eine Rolle als Verdrahtung zur elektrischen Verbindung eines leitfähigen Films 114 ₁ und eines Endabschnitts des Piezowiderstandselements 122 ₁ sowie als Verdrahtung zur elektrischen Verbindung des leitfähigen Films 115 ₁ und des Piezowiderstandselements 122 ₁ und erfüllt außerdem die Funktion der wirksamen Übertragung der am Heizabschnitt 112 ₁ erzeugten Wärme zur Oberfläche des Siliziumsubstrats 119.
Ein beweglicher Abschnitt 111e ist im wesentlichen in Form eines umgekehrten V (in der Draufsicht) ausgeformt und mit den jeweiligen Endkanten der Heizschichtabschnitte 111a und 111b über die Auslenkungsabschnitte 111c und 111d flexibel in Richtung der z-Achse verbunden, wie aus der Zeichnung ersichtlich ist. In diesem Fall sind die Breiten der Auslenkungsabschnitte 111c und 111d schmäler ausgeführt als die anderer Abschnitte.
Am vorderen Endabschnitt 111f des beweglichen Abschnitts 111e ist in Richtung der z-Achse (senkrecht zur Zeichnungsebene von 2) ein Meßtaster 111g für niedrige Auflösung ausgeformt, dessen vorderer Endabschnitt spitz ist. Wie in 4A dargestellt, ist der Meßtaster 111g für niedrige Auflösung nahe an der Probenoberfläche 11a der Probe 11 angeordnet, und sein Spitzegrad ist niedriger als der Spitzegrad als der des (später beschriebenen) Meßtasters 130e für hohe Auflösung. Das bedeutet, daß der Meßtaster 111g für niedrige Auflösung (freitragender Armabschnitt 110 für niedrige Auflösung) zur Messung eines weiten Bereichs mit niedriger Auflösung verwendet wird.
Ein leitfähiger Film 113 ₁ und der leitfähige Film 114 ₁ sind jeweils als Dünnfilme ausgeformt und in einem konstanten Abstand voneinander auf der Oberfläche des Halterungsabschnitts 101 und in der Nähe des Heizschichtabschnitts 111a ausgeformt und übernehmen die Rolle von Verdrahtungen, um Strom an den Heizabschnitt 112 ₁ zu liefern, wie oben erwähnt. Des weiteren sind ein Endabschnitt 112 _1a und ein anderer Endabschnitt 112 _1b des Heizabschnitts 112 ₁ mit den leitfähigen Filmen 114 ₁ bzw. 113 ₁ über einen Metallkontaktabschnitt 116 _1b und einen Metallkontaktabschnitt 116 _1a verbunden.
Des weiteren ist das Piezowiderstandselement 122 ₁ als Dünnfilm und streifenförmig auf der Oberfläche des Auslenkungsabschnitts 111c mittels eines Ionendotierprozesses oder dgl. ausgeformt und mit einer Eigenschaft versehen, durch die sich der Widerstandswert entsprechend dem aufgebrachten Druck ändert. Das bedeutet, daß das Piezowiderstandselement 122 ₁ aufgrund dieser Eigenschaft eine Änderung des Betrags der Auslenkung des Auslenkungsabschnitts 111c (freitragender Armabschnitt 110 für niedrige Auflösung) als Änderung seines Widerstandswertes erfassen kann.
Des weiteren sind ein Endabschnitt des leitfähigen Films 115 ₁ und des leitfähigen Films 114 ₁ elektrisch über den Metallkontaktabschnitt 116 _1a, und der andere Endabschnitt des leitfähigen Films 115 ₁ und ein Endabschnitt des Piezowiderstandselements 112 ₁ sind elektrisch über einen Metallkontaktabschnitt 124 ₁ verbunden.
In 2 ist ein leitfähiger Film 123 als Dünnfilm auf der Oberfläche des beweglichen Abschnitts 111e ausgeformt, um einen Endabschnitt des beweglichen Abschnitts 111e mit einem anderen Endabschnitt desselben über einen vorderen Endabschnitt 111f zu verbinden, und die Rolle einer Verdrahtung zu übernehmen. Ein Endabschnitt des leitfähigen Films 123 ist elektrisch mit dem anderen Endabschnitt des Piezowiderstandselements 122 ₁ über einen Metallkontaktabschnitt 125 ₁ verbunden.
Der Heizschichtabschnitt 111b weist nach links und rechts einen symmetrischen Aufbau zum Heizabschnitt 111a auf und hat eine ähnliche Konfiguration wie der oben beschriebene Heizschichtabschnitt 111a, so daß eine weitere Erläuterung entfällt. Im übrigen entsprechen in der Zeichnung der Heizschichtabschnitt 111b, der Heizabschnitt 112 ₂, ein leitfähiger Film 113 ₂, ein leitfähiger Film 114 ₂, ein Endabschnitt 112 _2a, ein weiterer Endabschnitt 112 _2b, ein Metallkontaktabschnitt 116 _2b, ein Metallkontaktabschnitt 116 _2a, der leitfähige Film 113 ₂, der leitfähige Film 114 ₂, das Piezowiderstandselement 112 ₂, der Auslenkungsabschnitt 111d, ein Metallkontaktabschnitt 125 ₂ und ein leitfähiger Film 115 ₂ in der genannten Reihenfolge dem Heizschichtabschnitt 111a, dem Heizabschnitt 112 ₁, dem leitfähigen Film 113 ₁, dem leitfähigen Film 114 ₁, dem einen Endabschnitt 112 _2b, dem anderen Endabschnitt 112 _1a, dem Metallkontaktabschnitt 116 _1a, dem Metallkontaktabschnitt 116 _1b, dem leitfähigen Film 114 ₁, dem leitfähigen Film 113 ₁, dem Piezowiderstandselement 122 ₁, dem Auslenkungsabschnitt 111c, dem Metallkontaktabschnitt 125 ₁ und dem leitfähigen Film 115 ₁.
Der freitragende Armabschnitt 130 für hohe Auflösung wird dagegen aus einem Siliziummaterial hergestellt ähnlich dem des freitragenden Armabschnitts 110 für niedrige Auflösung und besteht aus einem Auslenkungsabschnitt 130a, einem Auslenkungsabschnitt 130b und einem beweglichen Abschnitt 130c. Der freitragende Armabschnitt 130 für hohe Auflösung ist in einem Bereich angeordnet, der vom freitragenden Armabschnitt 110 für niedrige Auflösung und vom Halterungsabschnitt 101 umgeben ist.
Der oben beschriebene bewegliche Abschnitt 130c hat eine längliche Form mit einem spitzwinkligen Abschnitt an seinem vorderen Endabschnitt und ist mit einer Endkante des Halterungsabschnitts 101 flexibel in Richtung der z-Achse über die Auslenkungsabschnitte 130a und 130b verbunden, wie aus der Zeichnung ersichtlich. In diesem Fall sind die Auslenkungsabschnitte 130a und 130b mit einer schmäleren Breite als die des beweglichen Abschnitts 130c ausgeführt.
Des weiteren ist am vorderen Endabschnitt 130d des beweglichen Abschnitts 130c in Richtung der z-Achse (senkrecht zur Zeichnungsebene von 2) ein Meßtaster 111g für niedrige Auflösung ausgeformt, dessen vorderer Endabschnitt spitz ist. Wie in 4A dargestellt, ist der Meßtaster 130e für hohe Auflösung nahe an der Probenoberfläche 11a der Probe 11 angeordnet, und sein Spitzegrad ist höher als der Spitzegrad des oben erwähnten Meßtasters 111g für niedrige Auflösung. Das bedeutet, daß der Meßtaster 130e für hohe Auflösung (freitragender Armabschnitt 130 für hohe Auflösung) zur Messung eines schmalen Bereichs mit hoher Auflösung verwendet wird.
Außerdem ist der freitragende Armabschnitt 130 für hohe Auflösung relativ zur Probenoberfläche 11a unter einem Winkel zwischen ca. 0 bis 20° angeordnet. Speziell in 4A und 4B ist ein Fall dargestellt, in dem der Winkel ca. 10° beträgt.
Die Piezowiderstandselemente 131 und 132 sind als Dünnfilme und streifenförmig auf den jeweiligen Oberflächen der Auslenkungsabschnitte 130a und 130b mittels eines Ionendotierprozesses oder dgl. ausgeformt und mit einer Eigenschaft versehen, durch die sich ihre Widerstandswerte entsprechend dem aufgebrachten Druck ändern. Das bedeutet, daß die Piezowiderstandselemente 131 und 132 eine Änderung der Beträge der Auslenkung der Auslenkungsabschnitte 130a und 130b (freitragender Armabschnitt 130 für hohe Auflösung) als Änderung ihrer Widerstandswerte erfassen können.
Die leitfähigen Filme 133 und 134 sind auf der Oberfläche des Halterungsabschnitts 101 jeweils als Dünnfilme ausgeformt und voneinander in konstantem Abstand im Bereich der Auslenkungsabschnitte 130a und 130b angeordnet und übernehmen die Rolle als Verdrahtungen.
Die leitfähigen Filme 133 und 134 und die entsprechenden einen Endabschnitte der Auslenkungsabschnitte 130a und 130b sind elektrisch jeweils über Metallkontakabschnitte 135 und 136 verbunden. Ein leitfähiger Film 137 ist als Dünnfilm auf der Oberfläche des beweglichen Abschnitts 130c ausgeformt und übernimmt die Rolle einer Verdrahtung. Ein Endkantenabschnitt des leitfähigen Films 137 und die Piezowiderstandselemente 131 und 132 sind elektrisch über Metallkontaktabschnitte 138 und 139 verbunden. Des weiteren kann der leitfähige Film 137 nur in der Nähe der Metallkontaktabschnitte 138 und 139 statt über einen großen Anteil der Oberfläche des beweglichen Abschnitts 130c ausgeformt werden wie in 2 dargestellt.
Der in 1 dargestellte Wahlschalter 14 für den Meßtaster ist also der Schalter zur Wahl eines der Meßtaster 111g für niedrige Auflösung (freitragender Armabschnitt 110 für niedrige Auflösung) und 130g für hohe Auflösung (freitragender Armabschnitt 130 für hohe Auflösung) gemäß 2 für die Meßoperation; wird der Meßtaster 130g für hohe Auflösung (freitragender Armabschnitt 130 für hohe Auflösung) vom Wahlschalter 14 für den Meßtaster gewählt, steuert die Treibereinheit 15 für das Heizelement die Heizabschnitte 112 ₁ und 112 ₂ an, indem sie eine Spannung sowohl an die leitfähigen Filme 113 ₁ und 114 ₁ als auch an die leitfähigen Filme 113 ₂ und 114 ₂ legt.
Im folgenden wird die Funktionsweise der Mikrosonde 100 und der Vorrichtung 10 des Abtastsondentyps, die diese verwendet, gemäß der oben behandelten Ausführungsform 1 beschrieben.
(Messung eines weiten Bereichs mit niedriger Auflösung)
Zunächst soll der Betrieb einer Meßoperation eines weiten Bereichs mit niedriger Auflösung unter Verwendung des freitragenden Armabschnitts 110 für niedrige Auflösung (Meßtaster 111g für niedrige Auflösung) beschrieben werden (2). Bei einer Meßoperation mit niedriger Auflösung wird der Meßmodus für einen weiten Bereich bei niedriger Auflösung durch den in 1 dargestellten Wahlschalter 14 für den Meßtaster gewählt. Deshalb wird keine Spannung von der Treibereinheit 15 für das Heizelement an die leitfähigen Filme 114 ₁ und 113 ₁ sowie 113 ₂ und 114 ₂ (2) gelegt.
Aus diesem Grund wird die Temperatur der Heizschichtabschnitte 111a und 111b gleich hoch wie oder niedriger als die Betriebstemperatur T und demzufolge wird der freitragende Armabschnitt 110 für niedrige Auflösung wie in 4A dargestellt in einen Zustand gebracht, in dem der freitragende Armabschnitt 110 für niedrige Auflösung nicht verformt wird, sondern seine lineare Form beibehält und in derselben Ebene liegt wie der freitragende Armabschnitt 130 für hohe Auflösung.
In einem solchen Zustand ist der in der Zeichnung dargestellte Abstand zwischen dem Meßtaster 111g für niedrige Auflösung und der Probenoberfläche 11a kürzer als der Abstand zwischen dem Meßtaster 130e für hohe Auflösung und der Probenoberfläche 11a und dementsprechend wird in der Mikrosonde 100 der Meßtaster 111g für niedrige Auflösung (freitragender Armabschnitt 110 für niedrige Auflösung) wirksam.
Bei der Meßoperation ist die in 1 dargestellte Meßeinheit 16 mit den in 2 dargestellten leitfähigen Filmen 114 ₁ und 113 ₂ verbunden, und es wird ein Regelkreis mit folgendem Weg gebildet: Meßeinheit 16 → leitfähiger Film 114 ₁ → Metallkontaktabschnitt 116 _1a → leitfähiger Film 115 ₁ → Metallkontaktabschnitt 124 ₁ → Piezowiderstandselement 122 ₁ → Metallkontaktabschnitt 125 ₁ → leitfähiger Film 123 → Metallkontaktabschnitt 115 ₂ → Piezowiderstandselement 122 ₂ → Metallkontaktabschnitt 124 ₂ → leitfähiger Film 115 ₂ → Metallkontaktabschnitt 116 _2b → leitfähiger Film 113 ₂ → Meßeinheit 16.
Wird bei dieser Gelegenheit das Treibersignal Sm für das Stellelement von der Steuerungseinheit 13 an das in 1 dargestellte Stellelement 12 ausgegeben, wird dieses aktiviert und verschiebt die Probe 11 in der xy-Ebene in y-Richtung.
Dadurch erfolgt durch die Mikrosonde 100 eine Abtastoperation der Probenoberfläche 11a, während der eine Wechselwirkung (Anziehungs- oder Abstoßungskraft oder dgl.) zwischen dem Meßtaster 11g für niedrige Auflösung und der in 4A dargestellten Probenoberfläche 11a stattfindet, und der freitragende Armabschnitt 110 für niedrige Auflösung wird in Richtung der z-Achse um einen Betrag ausgelenkt, der der Wechselwirkung entspricht, wobei die Auslenkungsabschnitte 111c und 111d (2) die Drehachsen sind.
Das heißt, daß die Auslenkungsabschnitte 111c und 111d entsprechend dem oben genannten Auslenkungsbetrag ausgelenkt werden, und entsprechend der Stärke der Auslenkung ändern sich die jeweiligen Widerstandswerte der Piezowiderstandselemente 122 ₁ und 122 ₂. Des weiteren werden die Widerstandswerte der Piezowiderstandselemente 122 ₁ und 122 ₂ von der Meßeinheit 16 (1) gemessen, und das Meßsignal Sd wird von der Meßeinheit 16 als Meßergebnis an die Steuerungseinheit 13 ausgegeben.
Auf Basis des Meßsignals Sd kann somit die Steuerungseinheit 13 Änderungen der Widerstandswerte der Piezowiderstandselemente 122 ₁ und 122 ₂ berechnen und das Bildsignal Sg entsprechend dem Zustand der Probenoberfläche 11a aus den Änderungen der Widerstandswerte erzeugen. Danach gibt die Steuerungseinheit 13 das oben beschriebene Bildsignal Sg als Meßergebnis an die Anzeigeeinheit 17 aus. Damit wird der Zustand der Probenoberfläche 11a in Form des Meßergebnisses als Bild auf der Anzeigeeinheit 17 dargestellt.
In diesem Fall beruht das auf der Anzeigeeinheit 17 dargestellte Meßergebnis auf dem Resultat der Erfassung durch den freitragenden Armabschnitt 110 für niedrige Auflösung (Meßtaster 111g für niedrige Auflösung), und dementsprechend gilt dieses Meßergebnis für einen weiten Bereich der Probenoberfläche 11a und wird mit niedriger Auflösung bereitgestellt.
(Messung eines schmalen Bereichs mit hoher Auflösung)
Soll eine Messung eines schmalen Bereichs mit hoher Auflösung anstelle der oben beschriebenen Messung eines weiten Bereich mit niedriger Auflösung ausgeführt werden, wird der Meßmodus für einen schmalen Bereich mit hoher Auflösung durch den in 1 dargestellten Wahlschalter 14 für den Meßtaster gewählt. Dadurch wird Spannung von der Treibereinheit 15 für das Heizelement an die leitfähigen Filme 114 ₁ und 113 ₁ sowie 113 ₂ und 114 ₂ (2) gelegt.
Als Ergebnis wird in der Mikrosonde 100 (2) ein erster Regelkreis mit folgendem Weg gebildet: Treibereinheit 15 des Heizelements → leitfähiger Film 113 ₁ → Metallkontaktabschnitt 116 _1b → Heizabschnitt 112 ₁ → Metallkontaktabschnitt 116 _1a → leitfähiger Film 114 ₁ → Treibereinheit 15 des Heizelements.
Analog dazu wird in der Mikrosonde 100 ein zweiter Regelkreis mit folgendem Weg gebildet: Treibereinheit 15 des Heizelements → leitfähiger Film 113 ₂ → Metallkontaktabschnitt 116 _2b → Heizabschnitt 112 ₂ → Metallkontaktabschnitt 116 _2a → leitfähiger Film 114 ₂ → Treibereinheit 15 des Heizelements.
Durch die Bildung des ersten und zweiten Regelkreises wird Strom an beide Heizabschnitte 112 ₁ und 112 ₂ geliefert und an den Heizabschnitten 112 ₁ und 112 ₂ wird Joule'sche Wärme erzeugt.
Dadurch wird die Temperatur der Heizschichtabschnitte 111a und 111b erhöht und der leitfähige Film 115 ₁ (und 115 ₂) sowie Umfangsabschnitte desselben erfahren eine allmähliche Wärmedehnung. Als Ergebnis wird wie in 4B dargestellt der freitragende Armabschnitt 110 für niedrige Auflösung in Plusrichtung der z-Achse ausgelenkt, wobei der Heizschichtabschnitt 111a (und 111b) der Auslenkungsabschnitt ist, und der Meßtaster 111g für niedrige Auflösung von der Probenoberfläche getrennt wird.
In diesem Zustand wird der Abstand zwischen dem Meßtaster 111g für niedrige Auflösung des freitragenden Armabschnitts 110 für niedrige Auflösung und der Probenoberfläche 11a größer als der Abstand zwischen dem Meßtaster 130e für hohe Auflösung des freitragenden Armabschnitts 130 für hohe Auflösung und demzufolge wird der freitragende Armabschnitt 110 für niedrige Auflösung (Meßtaster 111g für niedrige Auflösung) der Mikrosonde 100 deaktiviert bzw. unwirksam.
Im Gegensatz dazu ist der Abstand zwischen dem Meßtaster 130 für hohe Auflösung des freitragenden Armabschnitts 130 für hohe Auflösung und der Probenoberfläche 11a kleiner als der Abstand zwischen dem Meßtaster 111g für niedrige Auflösung des freitragenden Armabschnitts 110 für niedrige Auflösung und der Probenoberfläche 11a, und demzufolge wird der freitragende Armabschnitt 130 für hohe Auflösung (Meßtaster 130e für hohe Auflösung) der Mikrosonde 100 aktiviert bzw. wirksam.
Bei der Meßoperation ist die in 1 dargestellte Meßeinheit 16 mit den in 2 dargestellten leitfähigen Filmen 133 und 134 verbunden, und es wird ein Regelkreis mit folgendem Weg gebildet: Meßeinheit 16 → leitfähiger Film 133 → Metallkontaktabschnitt 135 → Piezowiderstandselement 131 → leitfähiger Film 137 → Metallkontaktabschnitt 139 → Piezowiderstandselement 132 → Metallkontaktabschnitt 136 → leitfähiger Film 134 → Meßeinheit 16.
Wird bei dieser Gelegenheit das Treibersignal Sm für das Stellelement von der Steuerungseinheit 13 an das in 1 dargestellte Stellelement 12 ausgegeben, wird dieses aktiviert und verschiebt die Probe 11 in der xy-Ebene in y-Richtung.
Dadurch erfolgt durch die Mikrosonde 100 eine Abtastoperation der Probenoberfläche 11a, während der eine Wechselwirkung (Anziehungs- oder Abstoßungskraft oder dgl.) zwischen der Probenoberfläche 11a und dem Meßtaster 130e für hohe Auflösung des freitragenden Armabschnitts 130 (4B) stattfindet, und der freitragende Armabschnitt 130 für hohe Auflösung wird in Richtung der z-Achse um einen Betrag ausgelenkt, der der oben beschriebenen Wechselwirkung entspricht, wobei die Auslenkungsabschnitte 130a und 130b (2) die Drehachsen sind.
Das heißt, daß die Auslenkungsabschnitte 130a und 130b entsprechend dem oben genannten Auslenkungsbetrag ausgelenkt werden, und entsprechend der Stärke der Auslenkung ändern sich die jeweiligen Widerstandswerte der Piezowiderstandselemente 131 und 132. Des weiteren werden die Widerstandswerte der Piezowiderstandselemente 131 und 132 von der Meßeinheit 16 (1) gemessen, und das Meßsignal Sd wird von der Meßeinheit 16 als Meßergebnis an die Steuerungseinheit 13 ausgegeben.
Die anschließende Verarbeitung durch die Steuerungseinheit 13 oder dgl. ist ähnlich wie bei der oben beschriebenen Operation, so daß eine Erläuterung entfallen kann. Das schließlich gelieferte Meßergebnis beruht auf dem Erfassungsergebnis durch den freitragenden Armabschnitt 130 für hohe Auflösung (Meßtaster 130e für hohe Auflösung) und demnach handelt es sich dabei um ein Meßergebnis eines schmalen Bereichs der Probenoberfläche 11a, das mit hoher Auflösung bereitgestellt wird.
Wie oben erläutert worden ist, wird mit der Mikrosonde 100 und der Vorrichtung 10 des Abtastsondentyps, die diese gemäß Ausführungsform 1 verwendet, eine Konfiguration bereitgestellt, bei der die Beträge der Auslenkung des freitragenden Armabschnitts 110 für niedrige Auflösung und des freitragenden Armabschnitts 130 für hohe Auflösung auf Basis der jeweiligen Widerstandswerte des Piezowiderstandselements 122, des Piezowiderstandselements 122 ₂, des Piezowiderstandselements 131 und des Piezowiderstandselements 132 erfaßt werden, und dementsprechend können im Vergleich zur herkömmlichen Konfiguration der optischen Erfassung der Beträge der Auslenkung der Aufbau vereinfacht und die Meßgenauigkeit der Probenoberfläche 11a verbessert werden.
Des weiteren wird mit der Mikrosonde 100 und der Vorrichtung 10 des Abtastsondentyps, die diese gemäß Ausführungsform 1 verwendet, eine Konfiguration bereitgestellt, bei der der erste freitragende Armabschnitt 110 und der zweite freitragende Armabschnitt 130, das Piezowiderstandselement 122, das Piezowiderstandselement 131 sowie das Piezowiderstandselement 132 zur Erfassung der Auslenkungsbeträge integriert sind, so daß herkömmliche optische Bestandteile zur Erfassung der Auslenkung entfallen und deshalb die Einstellungen bei jeder Meßoperation ebenfalls entfallen können.
Des weiteren wird bei der Ausführungsform 1 wie oben erläutert der Meßtaster 111g für niedrige Auflösung durch den am vorderen Endabschnitt 111f des beweglichen Abschnitts 111e ausgeformten Meßtaster und der Meßtaster 130e für hohe Auflösung durch den am vorderen Endabschnitt 130d des beweglichen Abschnitts 130c verwirklicht, jedoch kann umgekehrt und wie in 5A dargestellt der Meßtaster 130e für hohe Auflösung durch den am vorderen Endabschnitt 111f ausgeformten Meßtaster und der Meßtaster 111g für niedrige Auflösung durch den am vorderen Endabschnitt 130d ausgeformten Meßtaster verwirklich werden.
Es ist jedoch erforderlich, die Bedingung zu erfüllen, daß der am vorderen Endabschnitt des durch die Heizabschnitte 112 ₁ und 112 ₂ (im oben beschriebenen Beispiel der freitragende Armabschnitt für hohe Auflösung) ausgelenkten freitragenden Armabschnitts sich zunächst in einem Zustand, in dem der freitragende Armabschnitt nicht ausgelenkt ist, nahe an der Probe befindet. Deshalb ist im Fall nach 5A wie in 5B dargestellt in dem Zustand, in dem der freitragende Armabschnitt nicht ausgelenkt ist, die Seite des Meßtasters 130e für hohe Auflösung eher in der Nähe der Probenoberfläche als der Meßtaster 111g für niedrige Auslenkung.
Zu bevorzugen ist jedoch eine Konfiguration, bei der der Meßtaster 111g für niedrige Auflösung im oben beschriebenen ausgelenkten Zustand des freitragenden Armabschnitts (Zustand Heizelement EIN) wirksam wird. Der Grund hierfür ist, daß im EIN-Zustand des Heizelements durch die Erzeugung von Wärme an den Heizabschnitten 112 ₁ und 112 ₂ die Möglichkeit besteht, thermisches Rauschen und eine Stromänderung des Piezowiderstandselements zu vermischen, und in diesem Fall ist es ratsam, den Modus mit niedriger Auflösung wirksam zu machen, damit ein Ergebnis mit niedriger Meßgenauigkeit zugelassen wird. Die Anordnung der Meßtaster und die Moduswahl bei der Auslenkung sind im übrigen ähnlich wie bei den nachstehend erläuterten Ausführungsformen.
(Ausführungsform 2)
Nunmehr folgt eine Erläuterung einer Mikrosonde gemäß Ausführungsform 2, die eine exemplarische Ausführungsform der Erfindung darstellt. Die Mikrosonde gemäß Ausführungsform 2 ist ein weiteres Beispiel einer Mikrosonde mit zwei Meßtasterarten, die die Beträge der Auslenkung freitragender Armabschnitte durch Piezowiderstandselemente erfassen und unterschiedlich spitz sind. Die Mikrosonde gemäß Ausführungsform 2 unterscheidet sich insbesondere von der nach Ausführungsform 1, daß bei der oben beschriebenen Mikrosonde 100 Bestandteile entsprechend dem freitragenden Armabschnitt 130 für hohe Auflösung, den Auslenkungsabschnitten 130a und 130b, dem beweglichen Abschnitt 130c, den Piezowiderstandselementen 131 und 132, den Metallkontaktabschnitten 135, 136, 138 und 139 und dem leitfähigen Film 137 nicht vorgesehen sind und jeder der Abschnitte entsprechend den Heizschichtabschnitten 111a und 111b so ausgeführt ist, daß er ein Element bildet, das aus dem Halterungsabschnitt 101 hervorragt und kein Heizelement besitzt, und daß die beiden Meßtasterarten entsprechend dem Meßtaster 111g für niedrige Auflösung und dem Meßtaster 130 für hohe Auflösung an einem Abschnitt entsprechend dem beweglichen Abschnitt 111f ausgeformt sind.
6 ist eine Draufsicht der Konfiguration einer Mikrosonde 200 nach Ausführungsform 2. Des weiteren wird in einer Vorrichtung 20 des Abtastsondentyps, die die Mikrosonde 200 gemäß Ausführungsform 2 verwendet, anstelle der in 1 dargestellten Mikrosonde 100 die Mikrosonde 200 verwendet.
Die Mikrosonde 200 besteht aus einem Siliziummaterial und ist integral mit einem Halterungsabschnitt 201, einem feststehenden Abschnitt 201e, der an einer Endkante des Halterungsabschnitts 201 über einen Verbindungsabschnitt 201a und einen Verbindungsabschnitt 201b gehaltert ist, einem Abschnitt 201f, der auf ähnliche Weise an der Endkante des Halterungsabschnitts 201 über einen Verbindungsabschnitt 201c und einen Verbindungsabschnitt 201d gehaltert ist und einem beweglichen Abschnitt 201k, der an einer Endkante des feststehenden Abschnitts 201e und einer Endkante eines Heizschichtabschnitts 201f über einen Auslenkungsabschnitt 201i und einen Auslenkungsabschnitt 201j flexibel in Richtung der z-Achse und drehbar um die y-Achse gehaltert ist, ausgeformt.
Der feststehende Abschnitt 201e hat eine Trapezform, dessen eine Endkante an der Seite des Halterungsabschnitts 201 parallel zur x-Achse verläuft und dessen andere Endkante an der Seite des beweglichen Abschnitts 201k durch eine Schräge gebildet wird, die zur x-Achse in einem vorgegebenen Winkel geneigt ist. Der feststehende Abschnitt 201e und der Heizschichtabschnitt 201f sind in Richtung der x-Achse seitlich in einem konstanten Abstand nebeneinander angeordnet, und zwischen dem feststehenden Abschnitt 201e und dem Heizschichtabschnitt 201f ist ein Spalt 201h ausgeformt.
Der Heizschichtabschnitt 201f hat ähnlich wie der feststehende Abschnitt 201e eine Trapezform, dessen eine Endkante an der Seite des Halterungsabschnitts 201 parallel zur x-Achse verläuft und dessen andere Endkante an der Seite des beweglichen Abschnitts 201k durch eine Schräge gebildet wird, die zur x-Achse in einem vorgegebenen Winkel geneigt ist. Des weiteren ist im Heizschichtabschnitt 201f in der Nähe des beweglichen Abschnitts 201k ein rechteckiges Loch 201g ausgeformt. Außerdem ist zwischen dem Heizschichtabschnitt 201f und dem feststehenden Abschnitt 201e und dem beweglichen Abschnitt 201k ein Spalt 201l ausgeformt.
Der bewegliche Abschnitt 201k hat eine schräge Seite, die zur x-Achse entlang der anderen Endkante des feststehenden Abschnitts 201e und der anderen Endkante des Heizschichtabschnitts 201f in einem vorgegebenen Winkel geneigt ist, und einen freitragenden Abschnitt 201m für niedrige Auflösung sowie einen freitragenden Abschnitt 201o für hohe Auflösung, die jeweils in Plusrichtung der y-Achse hervorragen.
Des weiteren sind der freitragende Abschnitt 201m für niedrige Auflösung und der freitragende Abschnitt 201o für hohe Auflösung mit einem Meßtaster 201n für niedrige Auflösung und einem Meßtaster 201p für hohe Auflösung ausgeführt, die dem Meßtaster 111g für niedrige Auflösung bzw. dem Meßtaster 130e für hohe Auflösung der Ausführungsform 1 entsprechen.
Ähnlich wie bei der Ausführungsform 1 ist der Heizschichtabschnitt 201f mit einem Heizabschnitt 202 ausgeformt, der ein Piezowiderstandselement aufweist, das die Funktion hat, den Heizschichtabschnitt 201f zu erwärmen, wenn Strom zugeführt wird. Eine Seite eines Endabschnitts 202a und eine Seite eines anderen Endabschnitts 202b des Heizabschnitts 202 sind als Dünnfilme auf der Oberfläche des Halterungsabschnitts 201 über den Verbindungsabschnitt 201d ausgeformt.
Ein Aluminiumfilm 203 ist als Dünnfilm auf der Oberfläche des Heizschichtabschnitts 201f zwischen dem Heizabschnitt 202 und dem rechteckigen Loch 201g ausgeformt und hat die Aufgabe, die am Heizabschnitt 202 erzeugte Wärme wirksam zur Oberfläche eines Siliziumsubstrats zu übertragen.
Ein Piezowiderstandselement 204 ₁ und ein Piezowiderstandselement 204 ₂ dienen zur Erfassung von Änderungen der Auslenkungsbeträge der Auslenkungsabschnitte 201i und 201j ähnlich wie die entsprechenden Piezowiderstandselemente, die in Zusammenhang mit der Ausführungsform 1 erläutert wurden.
Ein leitfähiger Film 205 ist als Dünnfilm und streifenförmig auf der Oberfläche des beweglichen Abschnitts 201k und entlang des Spalts 201l ausgeformt und dient als Verdrahtung zur elektrischen Verbindung der Piezowiderstandselemente 204 ₁ und 204 ₂ über Metallkontaktabschnitte 206 und 207.
Ein leitfähiger Film 208 ist als Dünnfilm auf einer Oberfläche von der Nähe des Auslenkungsabschnitts 201i zum Halterungsabschnitt 201 über den Verbindungsabschnitt 201b ausgeformt und dient als Verdrahtung. Ein anderer Endabschnitt 208b des leitfähigen Films 208 ist elektrisch mit einem Endabschnitt des Piezowiderstandselements 204 ₁ über einen Metallkontaktabschnitt 209 verbunden. Des weiteren ist ein leitfähiger Film 210 als Dünnfilm auf der Oberfläche von der Nähe des Auslenkungsabschnitts 201j zum Halterungsabschnitt 201 über den Verbindungsabschnitt 201c ausgeformt und dient als Verdrahtung. Ein anderer Endabschnitt 210b des leitfähigen Films 210 ist elektrisch mit einem Endabschnitt des Piezowiderstandselements 204 ₂ über einen Metallkontaktabschnitt 211 verbunden.
Weiterhin sind der eine Endabschnitt 202a und der andere Endabschnitt 202b des Heizabschnitts 202 elektrisch mit der in 1 dargestellten Treibereinheit 15 des Heizelements verbunden, und die Treibereinheit 15 des Heizelements legt an den einen Endabschnitt 202a und an den anderen Endabschnitt 202b eine Spannung an, wenn der freitragende Armabschnitt 201m für niedrige Auflösung (Meßtaster 201n für niedrige Auflösung) verwendet wird.
Des weiteren sind der eine Endabschnitt 208a des leitfähigen Films 208 und der eine Endabschnitt 210a des leitfähigen Films 210 mit der in 1 dargestellten Meßeinheit 16 verbunden. Weiterhin ist bei der in 6 dargestellten Mikrosonde 200 ein den Meßtaster 201n für niedrige Auflösung und den Meßtaster 201p für hohe Auflösung verbindendes Geradensegment um einen vorgegebenen Winkel gegenüber einem den Auslenkungsabschnitt 201i und dem Auslenkungsabschnitt 201j verbindenden Geradensegment geneigt. Dies dient zur Vergrößerung des Drehwinkels, wenn der bewegliche Abschnitt 201k mit dem Auslenkungsabschnitt 201i als Drehachse gedreht wird.
Die Funktionsweise der Mikrosonde 200 und der Vorrichtung 20 für Abtastsonden, die diese verwendet, gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform 2 ist ähnlich wie bei der Ausführungsform 1, so daß auf eine Erläuterung verzichtet werden kann. Jedoch wird gemäß Ausführungsform 2 und wie mit einer durchgezogenen Linie in 7 dargestellt, der bewegliche Abschnitt 201k im Zustand Heizelement AUS in einen Zustand gebracht, in dem er nicht um den Auslenkungsabschnitt 201i als Drehachse gedreht wird, während im Zustand Heizelement EIN, wie mit der strichpunktierten Linie in der Zeichnung veranschaulicht, eine Kraft durch Auslenken des Heizschichtabschnitts 201f an einem Abschnitt des beweglichen Abschnitts 201k in der Nähe des Metallkontaktabschnitts 207 in Minusrichtung der z-Achse wirksam wird, wodurch ein Zustand herbeigeführt wird, in dem der bewegliche Abschnitt 201k um den Auslenkungsabschnitt 201i als Drehachse gedreht wird.
Das bedeutet, daß im Zustand Heizelement EIN der Meßtaster 201p für hohe Auflösung durch Drehen des beweglichen Abschnitts 201k, wie durch die strichpunktierte Linie in 7 dargestellt, von der Probenoberfläche 11a getrennt, der Meßtaster 201n für niedrige Auflösung näher an die Probenoberfläche 11a gebracht und der Meßmodus für einen weiten Bereich mit niedriger Auflösung durch den Meßtaster 201n für niedrige Auflösung wirksam wird.
Deshalb sind bei der Mikrosonde 200 und der Vorrichtung 20 des Abtastsondentyps, die diese gemäß der oben erläuterten Ausführungsform verwendet, der bewegliche Abschnitt 201k mit dem Meßtaster 201n für niedrige Auflösung, der Meßtaster 201p für hohe Auflösung, das Piezowiderstandselement 204 ₁ und das Piezowiderstandselement 204 ₂ zur Erfassung des Auslenkungsbetrags des beweglichen Abschnitts 201k integral ausgeführt, und demzufolge kann eine Einstellung bei jeder Meßoperation entfallen, da herkömmliche optische Bestandteile zur Erfassung der Auslenkungsbeträge ebenfalls entfallen können.
(Ausführungsform 3)
Nunmehr folgt eine Erläuterung einer Mikrosonde gemäß Ausführungsform 3. Die Mikrosonde gemäß Ausführungsform 3 ist ein weiteres Beispiel einer Mikrosonde, die den Betrag der Auslenkung eines freitragenden Armabschnitts durch ein Piezowiderstandselement erfaßt und zwei Meßtasterarten besitzt, die unterschiedlich spitz sind. Die Mikrosonde gemäß Ausführungsform 3 unterscheidet sich insbesondere von der nach Ausführungsform 1, daß bei der oben beschriebenen Mikrosonde 100 Bestandteile entsprechend dem freitragenden Armabschnitt 130 für hohe Auflösung, den Auslenkungsabschnitten 130a und 130b, dem beweglichen Abschnitt 130c, den Piezowiderstandselementen 131 und 132, den Metallkontaktabschnitten 135, 136, 138 und 139 und dem leitfähigen Film 137 nicht vorgesehen und zwei Arten Meßtaster entsprechend dem Meßtaster 111g für niedrige Auflösung und dem Meßtaster 130e für hohe Auflösung an einem Abschnitt entsprechend dem beweglichen Abschnitt 111f ausgeformt sind. Jedoch wird keiner der Abschnitte entsprechend den Heizschichtabschnitten 111a oder 111b aktiviert.
8 ist eine Draufsicht der Konfiguration einer Mikrosonde 300 nach Ausführungsform 3. Des weiteren wird in einer Vorrichtung 30 des Abtastsondentyps, die die Mikrosonde 300 gemäß Ausführungsform 3 verwendet, anstelle der in 1 dargestellten Mikrosonde 100 die Mikrosonde 300 verwendet.
Die Mikrosonde 300 besteht aus einem Siliziummaterial und ist integral mit einem Halterungsabschnitt 301, einem feststehenden Abschnitt 301b in Form eines Bleches, der an einer Endkante des Halterungsabschnitts 301 in Richtung der y-Achse gehaltert ist, einem Heizschichtabschnitt 301, der auf ähnliche Weise durch die Endkante des Halterungsabschnitts 301 gehaltert ist, und einem beweglichen Abschnitt 301f, der flexibel in Richtung der z-Achse und drehbar um die y-Achse über einen Auslenkungsabschnitt 301e an einem Eckabschnitt des Heizschichtabschnitts 301a und einem Eckabschnitt des feststehenden Abschnitts 301b gehaltert ist, ausgeformt. Der Heizschichtabschnitt 301a hat eine Blechform und ist symmetrisch zum feststehenden Abschnitt 301b nach links und rechts angeordnet, wobei ein Spalt 301c zwischen dem Heizschichtabschnitt 301a und dem feststehenden Abschnitt 301b als Begrenzung ausgeformt ist.
Des weiteren hat der bewegliche Abschnitt 201e im wesentlichen eine Trapezform, und beide Endabschnitte eines schrägen Seitenabschnitts 301g, die zur x-Achse in einem vorgegebenen Winkel geneigt sind (ein Eckabschnitt 301h für niedrige Auflösung und eine Eckabschnitt 301j für hohe Auflösung) sind mit einem Meßtaster 301i für niedrige Auflösung bzw. einem Meßtaster 301k für hohe Auflösung ausgeführt, die dem Meßtaster 111g für niedrige Auflösung bzw. dem Meßtaster 130e für hohe Auflösung der Ausführungsform 1 entsprechen.
Ähnlich wie bei Ausführungsform 1 ist der Heizschichtabschnitt 301a mit einem Heizabschnitt 302 ₁ ausgeformt, der ein Piezowiderstandselement aufweist, das die Aufgabe hat, den Heizschichtabschnitt 301f mittels des gelieferten Stroms zu erwärmen. Des weiteren sind eine Seite eines Endabschnitts 302 _1a und eine Seite eines anderen Endabschnitts 302 _1b des Heizabschnitts 302 ₁ als Dünnfilme auf der Oberfläche des Halterungsabschnitts 301 ausgeformt.
Der eine Endabschnitt 302 _1a des Heizabschnitts 302 ₁ ist mit einem leitfähigen Film 303, der als Dünnfilm auf der Oberfläche des Halterungsabschnitts 301 ausgeformt ist, über einen Metallkontaktabschnitt 305 elektrisch verbunden. In ähnlicher Weise ist der andere Endabschnitt mit einem leitfähigen Film 304, der als Dünnfilm auf der Oberfläche des Halterungsabschnitts 301 ausgeformt ist, über einen Metallkontaktabschnitt 306 elektrisch verbunden.
Der eine Endabschnitt 302 _1a und der andere Endabschnitt 302 _1b des Heizabschnitts 302 ₁ sind elektrisch mit der in 1 dargestellten Treibereinheit 15 des Heizelements verbunden, und die Treibereinheit 15 des Heizelements legt an den einen Endabschnitt 302 _1a und an den anderen Endabschnitt 302 _1b eine Spannung an, wenn der Meßtaster 301i für niedrige Auflösung verwendet wird.
Ein Aluminiumfilm 307 ist als Dünnfilm auf der Oberfläche des Heizschichtabschnitts 301a so ausgeformt, daß er im wesentlichen die gesamte Oberfläche des Heizabschnitts 302 ₁ bedeckt. Des weiteren wie in 3 der Ausführungsform 1 dargestellt ist eine Isolierschicht (nicht dargestellt) zwischen dem Aluminiumfilm 307 und dem Heizabschnitt 302 ₁ ausgeformt. Durch die Isolierschicht ist also eine elektrische Isolierung zwischen dem Aluminiumfilm 307 und der ersten Verdrahtung des Heizelements 302 ₁ sichergestellt. Der Aluminiumfilm 307 hat außerdem die Aufgabe, die am Heizabschnitt 302 ₁ erzeugte Wärme wirksam zur Oberfläche eines Siliziumsubstrats zu übertragen.
Ein Piezowiderstandselement 308 ₁ und ein Piezowiderstandselement 308 ₂ dienen zur Erfassung von Änderungen der Auslenkungsabschnitte 301e und 301d ähnlich wie die entsprechenden Piezowiderstandselemente, die in Zusammenhang mit der Ausführungsform 1 erläutert wurden.
Ein leitfähiger Film 309 ist als Dünnfilm und streifenförmig auf der Oberfläche des beweglichen Abschnitts 301f und entlang des Spalts 301c ausgeformt und dient als Verdrahtung zur elektrischen Verbindung der Piezowiderstandselemente 308 ₁ und 308 ₂. In diesem Fall sind ein Endabschnitt des leitfähigen Films 309 und ein anderer Endabschnitt des Piezowiderstandselements 308 ₁ über einen Metallkontaktabschnitt 311 und der andere Endabschnitt des leitfähigen Films 309 und der andere Endabschnitt des Piezowiderstandselements 308 ₂ über einen Metallkontaktabschnitt 310 elektrisch verbunden.
Ein leitfähiger Film 312 ist als Dünnfilm auf einer Oberfläche von der Nähe des Auslenkungsabschnitts 301d zum Halterungsabschnitt 301 über den Heizschichtabschnitt 301a ausgeformt und dient als Verdrahtung. Ein anderer Endabschnitt 312b des leitfähigen Films 312 ist elektrisch mit einem Endabschnitt des Piezowiderstandselements 308 ₂ über einen Metallkontaktabschnitt 314 verbunden. In diesem Fall ist eine Isolierschicht (nicht dargestellt) zwischen dem leitfähigen Film 312 und dem Heizabschnitt 302 ₁ ausgeformt, so daß durch die Isolierschicht eine elektrische Isolierung zwischen leitfähigen Film 312 und dem Heizabschnitt 302 ₁ sichergestellt ist.
Am feststehenden Abschnitt 301b ist ein Heizabschnitt 302 ₂ als Dünnfilm mit im wesentlichen welliger Gestalt auf der Oberfläche des feststehenden Abschnitts 301b ausgeformt. Der Heizabschnitt 302 ₂ ist jedoch mit keinem der Abschnitte elektrisch verbunden und wird im Betrieb auch nicht verwendet. Er hat die Aufgabe, das Gleichgewicht der Mikrosonde 300 nach links und rechts zu sichern.
Ein leitfähiger Film 313 ist als Dünnfilm auf der Oberfläche von der Nähe des Auslenkungsabschnitts 301e zum Halterungsabschnitt 301 über den feststehenden Abschnitt 301b ausgeformt und dient als Verdrahtung. Ein anderer Endabschnitt 313b des leitfähigen Films 313 ist mit einem Endabschnitt des Piezowiderstandselements 308 ₁ über einen Metallkontaktabschnitt 315 elektrisch verbunden.
Des weiteren sind ein Endabschnitt des leitfähigen Films 313 und ein Endabschnitt 312a des leitfähigen Films 312 mit der in 1 dargestellten Meßeinheit 16 verbunden. Weiterhin ist bei der in 8 dargestellten Mikrosonde 300 ein den Meßtaster 301i für niedrige Auflösung und den Meßtaster 301k für hohe Auflösung verbindendes Geradensegment um einen vorgegebenen Winkel gegenüber einem den Auslenkungsabschnitt 301e und den Auslenkungsabschnitt 301d verbindenden Geradensegment geneigt. Dies dient zur Vergrößerung des Drehwinkels, wenn der bewegliche Abschnitt 301f mit dem Auslenkungsabschnitt 301e (wird später beschrieben) als Drehachse wie in Ausführungsform 2 gedreht wird.
Die Funktionsweise der Mikrosonde 300 und der Vorrichtung 30 des Abtastsondentyps, die diese verwendet, gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform 3 ist ähnlich wie bei der Ausführungsform 2, so daß auf eine Erläuterung verzichtet werden kann. Jedoch wird gemäß Ausführungsform 3 und wie mit einer durchgezogenen Linie in 9 dargestellt, der bewegliche Abschnitt 301f im Zustand Heizelement AUS in einen Zustand gebracht, in dem er nicht um den Auslenkungsabschnitt 301e als Drehachse gedreht wird, während im Zustand Heizelement EIN, wie mit der strichpunktierten Linie in der Zeichnung veranschaulicht, eine Kraft durch Auslenken des Heizschichtabschnitts 301a an einem Abschnitt des beweglichen Abschnitts 301f in der Nähe des Metallkontaktabschnitts 310 in Minusrichtung der z-Achse wirksam wird, wodurch ein Zustand herbeigeführt wird, in dem der bewegliche Abschnitt 301f um den Auslenkungsabschnitt 301e als Drehachse gedreht wird.
Das bedeutet, daß im Zustand Heizelement EIN der Meßtaster 301k für hohe Auflösung durch Drehen des beweglichen Abschnitts 301f, wie durch die strichpunktierte Linie in 9 dargestellt, von der Probenoberfläche 11a getrennt, der Meßtaster 301i für niedrige Auflösung näher an die Probenoberfläche 11a gebracht und der Meßmodus für einen weiten Bereich mit niedriger Auflösung durch den Meßtaster 301i für niedrige Auflösung wirksam wird.
Obwohl im Fall der Mikrosonde 300 gemäß Ausführungsform 3 wie oben erläutert der bewegliche Abschnitt 301f im wesentlichen eine Trapezform hat (10), kann der Abschnitt auch mit einer rechteckigen Form ausgebildet sein. Gemäß einer in 10 dargestellten Mikrosonde 400 entsprechen ein beweglicher Abschnitt 401f, ein Eckabschnitt 401a für niedrige Auflösung, ein Eckabschnitt 401c für hohe Auflösung, ein Meßtaster 401b für niedrige Auflösung und ein Meßtaster 401d für hohe Auflösung in dieser Reihenfolge dem beweglichen Abschnitt 301f, dem Eckabschnitt 301h für niedrige Auflösung, dem Eckabschnitt 301j für hohe Auflösung, dem Meßtaster 301i für niedrige Auflösung und dem Meßtaster 301k für hohe Auflösung, und die übrigen Abschnitte haben die gleichen Funktionen und tragen die gleichen Bezugszeichen wie in 8, so daß eine Erläuterung entfallen kann. Des weiteren wird in einer Vorrichtung 40 des Abtastsondentyps, die die Mikrosonde 400 verwendet, anstelle der in 1 dargestellten Mikrosonde 100 die Mikrosonde 400 verwendet.
Des weiteren kann das bewegliche Teil 401f eine andere Form haben, und die Länge des Heizschichtabschnitts 301a und des feststehenden Abschnitts 301b, die vom Halterungsabschnitt 301 (in Längsrichtung) hervorragen, können ebenfalls verschieden voneinander sein. 11 ist eine Draufsicht, die den Aufbau einer Mikrosonde 500 für diesen Fall zeigt.
In 11 entsprechen ein beweglicher Abschnitt 501f, ein Eckabschnitt 501h für niedrige Auflösung, ein Eckabschnitt 501j für hohe Auflösung, ein Meßtaster 501i für niedrige Auflösung und ein Meßtaster 501k für hohe Auflösung, ein leitfähiger Film 509, Metallkontaktabschnitte 510 und 511, Auslenkungsabschnitte 501d und 501e, Piezowiderstandselemente 508 ₁ und 508 ₂, ein Heizschichtabschnitt 501a und ein feststehender Abschnitt 501b in dieser Reihenfolge dem beweglichen Abschnitt 401f, dem Eckabschnitt 401a für niedrige Auflösung, dem Eckabschnitt 401c für hohe Auflösung, dem Meßtaster 401b für niedrige Auflösung, dem Meßtaster 401d für hohe Auflösung, dem leitfähigen Film 309, den Metallkontaktabschnitten 310 und 311, den Auslenkungsabschnitten 301d und 301e, den Piezowiderstandselementen 308 ₁ und 308 ₂, dem Heizschichtabschnitt 301a und dem feststehenden Abschnitt 301b von 10; die übrigen Abschnitte haben die gleichen Funktionen und tragen die gleichen Bezugszeichen wie in 8, so daß eine Erläuterung entfallen kann.
Insbesondere hat der oben beschriebene feststehende Abschnitt 501b im wesentlichen die Form eines Bleches mit einer Länge in Längsrichtung, die größer ist als die des Heizschichtabschnitts 501a, und der bewegliche Abschnitt 501f hat im wesentlichen die Form eines Blechs und ist mit einem Kerbabschnitt 501l im rechten unteren Abschnitt ausgeführt. Weiterhin ist ein den Meßtaster 501i für niedrige Auflösung und den Meßtaster 501j für hohe Auflösung verbindendes Geradensegment um einen vorgegebenen Winkel gegenüber einem den Auslenkungsabschnitt 501e und den Auslenkungsabschnitt 501d verbindenden Geradensegment geneigt. Dies dient zur Vergrößerung des Drehwinkels, wenn der bewegliche Abschnitt 501f mit dem Auslenkungsabschnitt 501e als Drehachse gedreht wird.
Des weiteren wird in einer Vorrichtung 30 des Abtastsondentyps, die die Mikrosonde 300 gemäß Ausführungsform 3 verwendet, anstelle der in 1 dargestellten Mikrosonde 100 die Mikrosonde 300 verwendet.
Wie oben erläutert worden ist, wird bei der Mikrosonde 300 (400, 500) und der Vorrichtung 30 (40, 50) des Abtastsondentyps gemäß Ausführungsform 3 der Betrag der Auslenkung des beweglichen Abschnitts 301f (401f, 501f) durch den Meßtaster 301i (401b, 501i) für niedrige Auflösung und den Meßtaster 301k (401d, 501j) für hohe Auflösung anhand der entsprechenden Widerstandswerte des Piezowiderstandselements 308 ₁ (508 ₁) und des Piezowiderstandselements 308 ₂ (508 ₂) erfaßt und dementsprechend können im Vergleich mit der herkömmlichen Konfiguration der optischen Erfassung des Auslenkungsbetrags der Aufbau vereinfacht und die Meßgenauigkeit der Probenoberfläche 11a verbessert werden.
Des weiteren sind bei der Mikrosonde 300 (400, 500) und der Vorrichtung 30 (40, 50) des Abtastsondentyps, die diese verwendet, gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform 3 der bewegliche Abschnitt 301f (401f, 501f) mit dem Meßtaster 301i (401b, 501i) für niedrige Auflösung und dem Meßtaster 301k (401d, 501j) für hohe Auflösung, das Piezowiderstandselement 308 ₁ (508 ₁) und das Piezowiderstandselement 308 ₂ (508 ₂) zur Erfassung des beweglichen Abschnitts 301f (401f, 501f) integral aufgebaut und folglich können herkömmliche optische Bestandteile zur Erfassung des Auslenkungsbetrags und eine Einstellung bei jeder Meßoperation entfallen.
Obwohl die Mikrosonden 100, 200, 300, 400 und 500 gemäß den Ausführungsformen 1, 2 und 3 unter Bezugnahme auf die Zeichnungen oben detailliert beschrieben worden sind, gilt eine Änderung der Konstruktion oder dgl. sofern sie vom Geist der Erfindung nicht abweicht, als von der Erfindung abgedeckt.
So kann beispielsweise auch wenn in den Beispielen die Verwendung des Aluminiumfilms 203 (siehe 6) und des Aluminiumfilms 307 (siehe 8, 10 und 11) für die oben beschriebenen Ausführungsformen 1 bis 3 genannt worden ist, anstelle des Aluminiums Kupfer oder Nickel verwendet werden.

Claims

Mikrosonde (200), welche Folgendes aufweist: – einen beweglichen Abschnitt (201k) mit einem ersten Messtaster (201p) in einem ersten freitragenden Abschnitt (201o), welcher einen ersten Spitzegrad aufweist, und einem zweiten Messtaster (201n) in einem zweiten freitragenden Abschnitt (201m), welcher einen zweiten Spitzegrad aufweist; – einen Halterungsabschnitt (201) zum flexiblen Haltern des beweglichen Abschnitts (201k); – einen ersten feststehenden Abschnitt (201e), der den beweglichen Abschnitt (201k) über einen ersten Auslenkungsabschnitt (201i) mit dem Halterungsabschnitt (201) verbindet; – einen zweiten Abschnitt (201f), der den beweglichen Abschnitt (201k) über einen zweiten Auslenkungsabschnitt (201j) mit dem Halterungsabschnitt (201) verbindet; und – eine Heizeinrichtung (202), welche an dem zweiten Abschnitt (201f) angeordnet und ausgelegt ist, den beweglichen Abschnitt (201k) auszulenken, wobei am ersten und zweiten Auslenkungsabschnitt (201i, 201j) jeweils ein Piezowiderstandselement (204 ₁, 204 ₂) angeformt ist, wobei ein Betrag der Auslenkung des beweglichen Abschnitts (201k) als Änderungen der Widerstandswerte der Piezowiderstandselemente (204 ₁, 204 ₂) erfasst wird, und wobei die Heizeinrichtung (202) ein Piezowiderstandselement aufweist und Wärme durch Liefern von Strom an das Piezowiderstandselement erzeugt.
Mikrosonde (200) nach Anspruch 1, wobei der erste Messtaster (201p) und der erste freitragende Abschnitt (201o) und der zweite Messtaster (201n) und der zweite freitragende Abschnitt (201m) auf dem beweglichen Abschnitt (201k) so angeordnet sind, dass ein die Messtaster (201p, 201n) verbindendes Geradensegment um einen vorgegebenen Winkel gegenüber einem den ersten und den zweiten Auslenkungsabschnitt (201i, 201j) verbindenden Geradensegment geneigt ist.
Vorrichtung vom Abtastsondentyp, wobei die Vorrichtung eine Mikrosonde (200) nach einem der Ansprüche 1 oder 2 und eine Ansteuereinrichtung zum Ansteuern der an der Mikrosonde (200) vorgesehenen Heizeinrichtung (202) aufweist, und wobei zum Beobachten einer Probenoberfläche (11a) durch Erfassen eines Betrags einer durch eine Wechselwirkung zwischen einem der Messtaster (201p, 201n) der Mikrosonde (200) und der Probenoberfläche (11a) hervorgerufenen Auslenkung des beweglichen Abschnitts (201k) der Mikrosonde (200) der eine Messtaster (201p, 201n) an der Mikrosonde (200) veranlasst wird, sich der Probenoberfläche (11a) zu nähern.