DE102004012740A1 - Atomic force microscopy substrate surface or physical reaction sampling unit has inductive, capacitive or strain gauge sensor and oscillator directly connected to cantilever - Google Patents

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Abstract

An atomic force microscopy substrate surface or physical reaction sampling (3) unit has an inductive, capacitive (9) or strain gauge sensor (8) with an oscillator (4) comprising capacitive, electromagnetic, acoustic, pneumatic or piezoelectric device connected directly to the cantilever (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Abtastung der Oberfläche oder physikalischer Reaktionssignale von Substraten nach dem Prinzip der Atomkraft-Mikroskopie. Diese weist einen Grundkörper und einen Cantilever auf, der mit einem Ende mit dem Grundkörper verbunden und mit dem anderen freien Ende mit einer Spitze versehen ist. Der Cantilever ist mit einem Schwingungserzeuger erregbar und steht mit einem Sensorelement zum Auskoppeln eines Messwertes in Wirkungsverbindung.The The invention relates to an arrangement for scanning the surface or physical reaction signals of substrates according to the principle atomic force microscopy. This has a main body and a cantilever connected with one end to the body and with the other free end is provided with a tip. Of the Cantilever is excitable with a vibrator and stands with a sensor element for decoupling a measured value in operative connection.

Eine Anordnung der eingangs genannten Art ist in der US 6,298,715 beschrieben. Darin ist ein Cantilever vorgesehen, der in Schwingung versetzt werden kann. Dies kann entweder durch einen Schwingungserzeuger geschehen, um beispielsweise eine als Reaktion auf die Schwingung von der Oberfläche erzeugte Schwingungsbeeinträchtigung als Reaktionssignal zu messen. Aber auch ein von dem Substrat selbst ausgehendes Reaktionssignal, etwa der Stromfluss durch einen elektrischen Leiter in dem Substrat, kann den Cantilever in Schwingung versetzen oder dessen Schwingungsverhalten verändern.An arrangement of the type mentioned is in the US 6,298,715 described. In it a cantilever is provided, which can be set in vibration. This can be done either by a vibrator to measure, for example, a vibration degradation generated in response to the vibration from the surface as a response signal. But even from the substrate itself outgoing reaction signal, such as the current flow through an electrical conductor in the substrate, can set the cantilever in vibration or change its vibration behavior.

Die Schwingung oder Schwingungsbeeinträchtigung wird dann als Messsignal mittels eines Sensors ausgekoppelt. Dies geschieht in der bekannten Lösung dadurch, dass der Cantilever mit einer reflektierenden Fläche versehen ist, auf die ein Mess- Lichtstrahl gelenkt wird. Infolge der Schwingung des Cantilevers kommt es dann zu einer Auslenkung des Lichtstrahles, die ermittelt und ausgewertet werden kann.The Vibration or vibration impairment is then used as a measurement signal decoupled by means of a sensor. This happens in the known solution in that the cantilever is provided with a reflective surface is on which a measuring beam of light is steered. As a result of the vibration of the cantilever it comes to a deflection of the light beam, which is determined and evaluated can be.

Für die Genauigkeit der Anordnung ist es von entscheidender Bedeutung, dass die Schwingungen störungsfrei in den Cantilever eingeleitet werden und die Messung des Schwingungsverhaltens ohne wesentliche Störungsbeeinflussung vorgenommen wird. Lange Wirkungslinien, wie sie im Stand der Technik zu verzeichnen sind, tragen zu einer Störbeeinflussung bei.For the accuracy The arrangement, it is crucial that the vibrations smoothly be introduced into the cantilever and the measurement of the vibration behavior without significant interference is made. Long lines of action, as in the prior art recorded contribute to a disturbance.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Wirkungslinien entweder bei der Schwingungserzeugung oder bei der Messwertauskopplung oder bei beiden zu verkürzen, um somit den Fehlereintrag zu verringern und damit die Genauigkeit von Abtastanordnungen nach dem Prinzip der Atomkraftmikroskopie zu erhöhen.The The object of the invention is the lines of action either in vibration generation or in the decoupling or to shorten in both, in order to reduce the error entry and thus the accuracy scanning arrangements according to the principle of atomic force microscopy to increase.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Besondere Ausgestaltungen zur Lösung der Aufgabenstellung sind in den Unteransprüchen 2 bis 20 angegeben.These The object is achieved by the characterizing features of claim 1 solved. Special embodiments for the solution The task are specified in the dependent claims 2 to 20.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher beschrieben.The The invention will be described in more detail with reference to an embodiment.

Die zugehörige Zeichnung zeigt eine prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Anordnung in schematischer Perspektivdarstellung.The associated Drawing shows a basic structure of an inventive arrangement in schematic perspective view.

Die in der Zeichnung dargestellte Anordnung ist mit einem Cantilever 1 versehen, der mit einem Ende in einem Grundkörper 2 fest gespannt ist. An seinem freien Ende ist der Cantilever mit einer Spitze 3 versehen.The arrangement shown in the drawing is with a cantilever 1 provided with one end in a base body 2 is tight. At its free end is the cantilever with a tip 3 Mistake.

Zur Schwingungserzeugung ist ein magnetischer Schwingungserzeuger 4 vorgesehen. Dieser besteht aus einer Spule 5, die über einen Ausleger 6 mit einer Halteplatte 7 als Referenzmittel verbunden ist. Den anderen Teil des Schwingungserzeugers 4 bil det der Cantilever 1 selbst. Er ist aus weichmagnetischem Material und dient somit als Kern für die Spule 5 des Schwingungserzeugers 4. Wird nunmehr die Spule 5 mit einer Wechselspannung beaufschlagt, so führt der durch die Spule 5 fließende Wechselstrom zu einem wechselnden Magnetfeld und damit zu einer Schwingungserregung des Cantilevers 1.For vibration generation is a magnetic vibrator 4 intended. This consists of a coil 5 that have a boom 6 with a holding plate 7 connected as reference means. The other part of the vibrator 4 the cantilever forms 1 itself. It is made of soft magnetic material and thus serves as the core for the coil 5 of the vibrator 4 , Now the coil 5 supplied with an AC voltage, so leads through the coil 5 flowing alternating current to an alternating magnetic field and thus to a vibration excitation of the cantilever 1 ,

Durch das nicht näher dargestellte Substrat wird die Spitze 3 und damit auch der Cantilever 1 in seinem Schwingungsverhalten beeinflusst. Diese Beeinflussung wird über einen kapazitiven Sensor 8 ausgekoppelt. Dieser besteht nämlich aus zwei Elektroden 9, zwischen denen der Cantilever 1 verläuft. Dieser besteht in diesem Bereich aus einem dielektrischem Material. Dadurch, aber auch wenn er aus elektrisch leitfähigem Material – etwa durchgängig aus weichmagnetischen Material – besteht, beinflusst er die Kapazität des Sensors 8. Ist dieser nun beispielsweise in einer Wechselstrommessbrücke verschalten, kann diese Kapazitätsveränderung und damit das Schwingungsverhalten des Cantilevers 1 gemessen werden.Through the substrate, not shown, the tip 3 and thus the cantilever 1 influenced in its vibration behavior. This influence is via a capacitive sensor 8th decoupled. This consists of two electrodes 9 between which the cantilever 1 runs. This consists in this area of a dielectric material. As a result, but even if it consists of electrically conductive material - for example, made entirely of soft magnetic material - it affects the capacitance of the sensor 8th , If this is now connected, for example, in an alternating current measuring bridge, this capacitance change and thus the vibration behavior of the cantilever can 1 be measured.

Die Anwendung kann beispielsweise darin gesehen werden, dass mit dem Cantilever die Oberfläche eines Halbleiterchips abgetastet wird. Dadurch erhält man aufgrund der Veränderung des Schwingungsverhaltens Kenntnis von der Oberflächenstruktur und somit auch Kenntnis von der Lage von Kontaktpads. Damit kann die Spitze 3 über einen solchen Kontaktpad genau positioniert werden und diesen kontaktieren, um anschließend Probemessungen an dem Halbleiterchip vorzunehmen. Hierzu ist der Cantilever 1 oder die Spitze 3 in nicht näher dargestellter Weise mit einer Auswerteeinrichtung elektrisch verbunden.The application can be seen, for example, in that the surface of a semiconductor chip is scanned with the cantilever. As a result of the change in the vibration behavior, knowledge of the surface structure and thus also knowledge of the position of contact pads is obtained. This can be the tip 3 be accurately positioned over such a contact pad and contact this to then make test measurements on the semiconductor chip. This is the cantilever 1 or the top 3 in a manner not shown electrically connected to an evaluation.

11
Cantilevercantilever
22
Grundkörperbody
33
Spitzetop
44
Schwingungserzeugervibrator
55
SpuleKitchen sink
66
Auslegerboom
77
HalteplatteRetaining plate
88th
Sensorsensor
99
Elektrodeelectrode

Claims (20)

Anordnung zur Abtastung der Oberfläche oder physikalischer Reaktionssignale von Substraten nach dem Prinzip der Atomkraft-Mikroskopie mit einem Grundkörper und einem Cantilever, der mit einem Ende mit dem Grundkörper verbunden und mit dem anderen freien Ende mit einer Spitze versehen ist, wobei der Cantilever mit einem Schwingungserzeuger erregbar ist und ein Sensorelement zum Auskoppeln eines Messwertes mit dem Cantilever in Wirkungsverbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (8) aus einem nicht optischen Sensor mit einem elektrischen Messwertausgang, nämlich einem induktiv und/oder kapazitiv sensitiven Element oder einem Dehnmessstreifen besteht und dass zumindest ein Teil des sensitiven Elementes mit dem Cantilever verbunden ist und/oder der Schwingungserzeuger (4) als kapazitives, elektromagnetisches, akustisches, pneumatisches oder als piezoaktives Mittel ausgebildet ist und direkt mit dem Cantilever in Wirkungsverbindung steht.Arrangement for scanning the surface or physical reaction signals of substrates on the principle of atomic force microscopy with a base body and a cantilever, which is connected at one end to the base body and provided with the other free end with a tip, wherein the cantilever with a vibrator is excitable and a sensor element for coupling out a measured value with the cantilever in operative connection, characterized in that the sensor element ( 8th ) consists of a non-optical sensor with an electrical measured value output, namely an inductively and / or capacitively sensitive element or a strain gauge and that at least a part of the sensitive element is connected to the cantilever and / or the vibration generator ( 4 ) is designed as a capacitive, electromagnetic, acoustic, pneumatic or as a piezoactive agent and is directly in operative connection with the cantilever. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das sensitive Element aus einem ersten (9) und einem zweiten Teil besteht, die relativ zueinander beweglich sind, dass ein relativ zu dem Cantilever feststehendes erstes Referenzmittel (7) angeordnet ist und dass der erste Teil des sensitiven Elementes (8) mit dem Cantilever (1) und der zweite Teil (9) des sensitiven Elementes mit dem Referenzmittel (7) verbunden ist.Arrangement according to claim 1, characterized in that the sensitive element of a first ( 9 ) and a second part, which are movable relative to each other, that a first reference means fixed relative to the cantilever (FIG. 7 ) and that the first part of the sensitive element ( 8th ) with the cantilever ( 1 ) and the second part ( 9 ) of the sensitive element with the reference agent ( 7 ) connected is. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass elektrische Anschlussleitungen zum Auskoppeln des Messwertes mit dem zweiten Teil (9) des sensitiven Elementes (8) verbunden sind.Arrangement according to claim 2, characterized in that electrical connection lines for coupling the measured value with the second part ( 9 ) of the sensitive element ( 8th ) are connected. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das sensitive Element (8) als Kapazität ausgebildet ist, wobei die Elektroden (9) der Kapazität den zweiten Teil des sensitiven Elementes (8) bilden und ein Dielektrikum zumindest mit dem Cantilever (1) verbunden ist.Arrangement according to claim 2 or 3, characterized in that the sensitive element ( 8th ) is designed as a capacitance, wherein the electrodes ( 9 ) of the capacitance the second part of the sensitive element ( 8th ) and a dielectric at least with the cantilever ( 1 ) connected is. Anordnung nach Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des Cantilever (1) aus dielektrischem Material besteht und als Dielektrikum der Kapazität ausgebildet ist.Arrangement according to claim 4, characterized in that at least a part of the cantilever ( 1 ) consists of dielectric material and is designed as a dielectric of capacity. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das sensitive Element (8) als Kapazität ausgebildet ist, wobei eine Elektrode (9) der Kapazität als erster Teil und die andere Elektrode der Kapazität als zweiter Teil des sensitiven Elementes ausgebildet ist.Arrangement according to claim 2, characterized in that the sensitive element ( 8th ) is formed as a capacitance, wherein an electrode ( 9 ) of the capacitance is designed as a first part and the other electrode of the capacitance is designed as a second part of the sensitive element. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das sensitive Element als Induktivität mit einer Spule und einem Kern ausgebildet ist, wobei der Kern den ersten Teil und die Spule den zweiten Teil des sensitiven Elementes bilden.Arrangement according to claim 2 or 3, characterized that the sensitive element as inductance with a coil and a Core is formed, the core being the first part and the coil form the second part of the sensitive element. Anordnung nach Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des Cantilever als Kern der Induktivität ausgebildet ist.Arrangement according to claim 4, characterized that at least part of the cantilever formed as the core of the inductance is. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das sensitive Element als Indukti vität mit einer ersten und einer zweiten Spule ausgebildet ist, wobei die erste Spule den ersten Teil und die zweite Spule den zweiten Teil des sensitiven Elementes bilden.Arrangement according to claim 2, characterized that the sensitive element as Indukti tivity with a first and a second coil is formed, wherein the first coil, the first Part and the second coil the second part of the sensitive element form. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Schwingungserzeuger (4) aus einem ersten und einem zweiten Teil (5) besteht, die relativ zueinander beweglich sind, dass ein relativ zu dem Cantilever (1) feststehendes zweites Referenzmittel (7) angeordnet ist und dass der erste Teil des Schwingungserzeugers (4) mit dem Cantilever (1) und der zweite Teil (5) des Schwingungserzeugers (4) mit dem zweiten Referenzmittel (7) verbunden ist.Arrangement according to claim 1, characterized in that vibration generator ( 4 ) from a first and a second part ( 5 ), which are movable relative to each other, that one relative to the cantilever ( 1 ) fixed second reference means ( 7 ) and that the first part of the vibrator ( 4 ) with the cantilever ( 1 ) and the second part ( 5 ) of the vibrator ( 4 ) with the second reference means ( 7 ) connected is. Anordnung nach Anspruch 2 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Referenzmittel durch ein und dasselbe Bauelement (7) ausgebildet sind.Arrangement according to claim 2 and 10, characterized in that the first and the second reference means by one and the same component ( 7 ) are formed. Anordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass elektrische Anschlussleitungen zum Erregen des Schwingungserzeugers (4) mit dem zweiten Teil (5) des Schwingungserzeugers (4) verbunden sind.Arrangement according to claim 10 or 11, characterized in that electrical connecting lines for exciting the vibrator ( 4 ) with the second part ( 5 ) of the vibrator ( 4 ) are connected. Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungserzeuger als Kapazität ausgebildet ist, wobei eine Elektrode der Kapazität als erster Teil und die andere Elektrode der Kapazität als zweiter Teil des Schwingungserzeugers ausgebildet ist.Arrangement according to one of Claims 10 to 12, characterized that the vibration generator is designed as a capacitor, wherein an electrode the capacity as the first part and the other electrode of the capacity second Part of the vibrator is formed. Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungserzeuger (4) als Induktivität mit einer Spule (5) und einem Kern ausgebildet ist, wobei der Kern den ersten Teil und die Spule (5) den zweiten Teil des Schwingungserzeugers (4) bilden.Arrangement according to one of claims 10 to 12, characterized in that the vibration generator ( 4 ) as inductance with a coil ( 5 ) and a core, wherein the core is the first part and the coil ( 5 ) the second part of the vibrator ( 4 ) form. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des Cantilever (1) als Kern der Induktivität ausgebildet ist.Arrangement according to claim 14, characterized in that at least a part of the cantilever ( 1 ) is formed as the core of the inductance. Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungserzeuger als Induktivität mit einer ersten und einer zweiten Spule ausgebildet ist, wobei die erste Spule den ersten Teil und die zweite Spule den zweiten Teil des Schwingungserzeugers bilden.Arrangement according to one of Claims 10 to 12, characterized that the vibration generator as inductance with a first and a second Coil is formed, wherein the first coil and the first part the second coil form the second part of the vibrator. Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungserzeuger als pneumatischer Aktuator ausgebildet ist, der eine Düse aufweist, die mit dem Cantilever über einen Luftstrom verbunden ist.Arrangement according to one of Claims 10 to 12, characterized that the vibration generator is designed as a pneumatic actuator is that a nozzle which is connected to the cantilever via an airflow is. Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungserzeuger als Piezo-Aktuator mit einem Piezoquarz ausgebildet ist, das mit dem Cantilever direkt verbunden ist.Arrangement according to one of Claims 10 to 12, characterized that the vibration generator is designed as a piezo actuator with a piezoelectric quartz is directly connected to the cantilever. Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungserzeuger als akustischer Aktuator ausgebildet ist, das mit dem Cantilever über eine Luftbrücke verbunden ist.Arrangement according to one of Claims 10 to 12, characterized that the vibration generator is designed as an acoustic actuator is that over with the cantilever an airlift connected is. Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungserzeuger statisch auslenkbar ist und bei Auslenkung den Cantilever mit einer statischen Kraft vorspannt.Arrangement according to one of Claims 10 to 12, characterized that the vibration generator is statically deflectable and when deflected the Cantilever with a static force pretensions.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2571449C2 (en) * 2011-04-29 2015-12-20 Брукер Нано, Инк. Scanning probing microscope with compact scanner

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