DE102005057218A1

DE102005057218A1 - Sondenvorrichtung und Messanordnung zur Messung von Mikro- und/oder Nanostrukturen

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Publication number: DE102005057218A1
Application number: DE102005057218A
Authority: DE
Inventors: Gaoliang Dr. Dai; Helmut Wolff; Hans-Ulrich Dr. Danzebrink; Frank Pohlenz
Original assignee: Bundesrepublik Deutschland; Bundesministerium fuer Wirtschaft und Technologie
Current assignee: Bundesrepublik Deutschland; Bundesministerium fuer Wirtschaft und Technologie
Priority date: 2005-11-29
Filing date: 2005-11-29
Publication date: 2007-05-31

Abstract

Es wird eine Sondenvorrichtung (18) zur Messung von Mikro- und/oder Nanostrukturen mit einem biegeelastischen Cantilever (38), der mit einem ersten Ende fest an einem Substrat (28) angeordnet ist und bei dem eine Auslenkung aus der Ruhelage des zweiten, freien Endes erfassbar ist, und mit einer Sondenspitze (58) offenbart, die mit einer zu messenden Struktur (60, 62, 63) in eine Wechselwirkung bringbar ist, die die Auslenkung des freien Endes des Cantilevers (38) bewirkt. Um den Messbereich gegenüber bekannten Sondenvorrichtungen zu erweitern, ist zwischen dem Cantilever (38) und der Sondenspitze (58) eine Verlängerung (48) vorgesehen, die von dem Cantilever (38) abgewinkelt ist und eine Bewegung der Sondenspitze (58) in eine Auslenkung des Cantilevers (38) überträgt. Es wird ferner eine Messanordnung mit einer erfindungsgemäßen Sondenvorrichtung offenbart.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sondenvorrichtung zur Messung von Mikro- und/oder Nanostrukturen mit einem biegeelastischen Cantilever, der mit einem ersten Ende fest an einem Substrat angeordnet ist und bei dem eine Auslenkung aus einer Ruhelage des zweiten, freien Endes erfassbar ist, und mit einer Sondenspitze, die mit einer zu messenden Struktur in eine Wechselwirkung bringbar ist, die die Auslenkung des freien Endes des Cantilevers bewirkt. Die Erfindung betrifft ferner eine Messanordnung mit einer derartigen Sondenvorrichtung.

Derartige Sondenvorrichtungen sind bereits bekannt und finden bei Rastersondenmikroskopen (SPM – scanning probe microscope), beispielsweise einem Kraftmikroskop (AFM – atomic force microscope bzw. SFM – scanning force microscope), Verwendung und ein Beispiel hierfür ist in den 1a bis d dargestellt. Der 1a ist der prinzipielle Aufbau einer bekannten Sondenvorrichtung 1 zu entnehmen. Diese weist ein Substrat 2 auf, das beispielsweise in eine geeignete Aufnahme eines Kraftmikroskopes (nicht dargestellt) eingefügt und dort gehalten werden kann. Von dem Substrat 2 erstreckt sich ein Cantilever 3, der hier in der Form eines flachen ebenen Biegebalkens ausgebildet ist. Ein erstes Ende des Cantilevers 3 ist fest an dem Substrat 2 angeordnet. Ein zweites freies Ende des Cantilevers 3 kann aus sei ner Ruhelage ausgelenkt werden, so dass der Cantilever 3 gebogen oder deformiert wird.

An dem freien Ende des Cantilevers 3 befindet sich eine Sondenspitze 5, die einer zu messenden Oberfläche 6 zugewandt ist und mit dieser wechselwirkt. Aufgrund der auftretenden Wechselwirkung zwischen der Oberfläche 6 und der Sondenspitze 5 wird der Cantilever gebogen und dessen freies Ende ausgelenkt. Um die Struktur der Oberfläche 6 zu erfassen kann die Sondenvorrichtung 1 in der XY-Ebene über die Oberfläche 6 bewegt bzw. gerastert werden. Der Cantilever 3 ist in seiner Ruhelage etwa parallel zu der XY-Ebene ausgerichtet. Die Höhenunterschiede der Oberflächenstruktur in Z-Richtung können dann durch die Auslenkung des Cantilevers 3 erfasst werden.

In dem in der 1a gezeigten Aufbau wird die Auslenkung des Cantilevers 3 mittels einer so genannten Lichtzeigeranordnung 7 detektiert. Ein Laserstrahl einer Laserquelle 8 wird auf die Oberfläche der Oberseite des Cantilevers 3 projiziert und von dort über eine Distanz von einigen Zentimetern auf einen segmentierten Fotoempfänger 9 reflektiert. Auf der Basis dieses Lichtzeigers führen selbst kleine Winkeländerungen durch das Durchbiegen oder der Deformation des Cantilevers 3 zu signifikanten Bewegungen des Lichtstrahls über den Fotoempfänger 9, die durch Spannungsänderungen an den Ausgängen der einzelnen Segmente des Fotoempfängers 9 detektiert werden.

Üblicherweise wird bei einer Auslenkung des Cantilevers 3 die Position des Substrates 2 bzw. der Aufnahme entsprechend in der Höhe korrigiert, bis sich der Cantilever 3 wieder in seiner Ruhelage befindet. Aus den Werten der Höhenkorrektur bzw. der Lageregelung kann mittels eines Rechners und entsprechender Software das Höhenprofil der Oberfläche 6 errechnet werden. Diese Betriebsart wird auch mit Kontakt-Modus bezeichnet und die Wechselwirkung basiert hauptsächlich auf Abstoßungskräfte zwischen der Sondenspitze 5 und der Oberfläche 6. Ferner sind weitere Betriebsarten bekannt, beispielsweise der Nicht-Kontakt-Modus oder der Intermittent-Kontakt-Modus (in einer speziellen Variante auch als tapping mode bezeichnet), bei denen die Regelung auf die konstante Schwingungsamplitude bzw. Schwingungsphase des Cantilevers 3 erfolgt. Hier sind die wirkenden Kräfte, beispielsweise die langreichenden Van-der-Waals-Kräfte, deutlich kleiner und es können sogar empfindliche oder biologische Objekte vermessen werden.

1b demonstriert die Einschränkung bei einem Einsatz der Sondenvorrichtung 1 für den Fall der Messung einer Oberfläche 6', deren Höhe/Tiefe mehrere Mikrometer überschreitet. Üblicherweise weist die pyramidenförmige Sondenspitze 5 eine Höhe von etwa 5 bis 15 µm auf. Wenn die Rauigkeit der Oberfläche diesen Wert deutlich überschreitet, kann es geschehen, dass die Oberfläche 6' nicht mit der Sondenspitze 5, sondern direkt mit dem Cantilever 3 wechselwirkt, was zu einer Verfälschung der Messergebnisse führt.

In den 1c und d ist ein weiteres Beispiel für die Begrenzung der Messgenauigkeit bei der Verwendung der Sondenvorrichtung 1 dargestellt. Die 1d ist hierbei eine Vergrößerung des eingekreisten Abschnitts der 1c. Die eigentliche Struktur der Oberfläche 6'' kann nicht erfasst werden, da nicht die Spitze der Sondenspitze 5 sondern eine Seitenfläche mit der Oberfläche 6'' in Wechselwirkung steht. Die Form der Sondenspitze 5 limitiert die Genauigkeit der Erfassung der Oberflächenstruktur. Deshalb kann das bekannte Rastersondenmessverfahren aufgrund der existierenden Beschränkungen aus der Geometrie der Sondenspitze 5 nicht für die Messung von echten dreidimensionalen Strukturen, beispielsweise die in der 1d gezeigte Vertiefung mit einer nahezu senkrechten Seitenwand, verwendet werden.

In der EP 0 988 505 B1 wird ein Koordinatenmessgerät mit einem ein Tastelement und eine biegeelastische Tasterverlängerung umfassenden Taster und einem optischen Sensor offenbart. Das Tastelement ist über die Tasterverlängerung mit dem Koordinatenmessgerät verbunden und die Position des Tastelementes wird mit einem optischen Sensor direkt bestimmt. Aufgrund eines Kontaktes zwischen den Tastelement und der Oberfläche der zu messenden Struktur wird das Tastelement aus der Normallage gegenüber dem Koordinatenmessgerät verschoben. Hierbei ist vorgesehen, dass die Position im Durchlicht- und/oder Auflichtverfahren und/oder durch ein Selbststrahlen des Tastelementes bestimmt wird. Das bedeutet, dass das Tastelement selber zu jedem Zeitpunkt der Messung beobachtbar sein muss. Eine Messung von Unterschneidungen ist mit dem vorgestellten Koordinatenmessgerät nicht möglich.

Aus der DE 103 49 946 A1 ist eine Anordnung zur Messung von Oberflächeneigenschaften eines Objektes mittels eines Koordinatenmessgerätes bekannt, das ein auf der Oberfläche sich abstützendes und relativ zu diesem bewegbaren Antastformelement aufweist, dem eine Marke zugeordnet ist, deren Position mit einem optischen Sensor erfassbar ist. Um unabhängig von der Ausrichtung des Antastformelementes auf das zu messende Objekt bzw. dessen Oberflächenkontur eine sichere Bestimmung zu ermöglichen, ist vorgesehen, dass die Marke und das Antastformelement über ein starres um eine Achse schwenkbar gelagertes Verbindungselement verbunden sind. Bei dieser Messanordnung ist die Auflösung bzw. Genauigkeit der Messung deutlich eingeschränkt, da die Kräfte aufgrund der Wechselwirkung zwischen der Messspitze und der Oberfläche üblicherweise deutlich geringer sind als in dem Lager wirkende Kräfte, beispielsweise Reibungskräfte in dem Lager. Hierbei besteht insbesondere die Gefahr, dass die Lagerkräfte aufgrund der Starrheit des Verbindungselementes direkt auf das Messobjekt übertragen werden, was zu einer Beschädigung oder Zerstörung des Messobjektes führen kann.

Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Oberflächenmessung von Mikro- und/oder Nanostrukturen zu verbessern und die Beschränkungen bekannter Oberflächenmessungen zu überwinden.

Diese Aufgabe wird durch eine Sondenvorrichtung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 sowie durch eine Messanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.

Erfindungsgemäß ist bei einer Sondenvorrichtung der eingangs beschriebenen Art vorgesehen, dass zwischen dem Cantilever und der Sondenspitze eine Verlängerung vorgesehen ist, die von dem Cantilever abgewinkelt ist und eine Bewegung der Sondenspitze in eine Auslenkung des Cantilevers überträgt. Dadurch wird der Messbereich erweitert und es können Strukturhöhen in der Größenordnung von mehreren Hundert Mikrometern, zumindest in der Größenordnung der Verlängerung, erfasst werden. Auch kann eine Oberflächentopografie, beispielsweise die Form und Rauheit, von tiefen Gräben oder Löchern gemessen werden. Mit der erfindungsgemäßen Sondenvorrichtung kann das Messobjekt nicht nur in Z-Richtung angetastet werden, sondern es ist zusätzlich eine Detektion in X- und/oder Y-Richtung durchführbar. Dies ermöglicht beispielsweise die Messung von Seitenwänden von Halbleiterstrukturen, MEMS- oder NEMS-Strukturen (mikroelektromechanisches bzw. nanoelektromechanisches System).

Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sondenvorrichtung ist vorgesehen, dass der Cantilever und die Verlängerung einstückig sind. Alternativ sind der Cantilever und die Verlängerung separat herstellbar und anschließend geeignet miteinander verbunden. Dies ermöglicht die Herstellung der Sondenvorrichtung unter Verwendung von bekannten Ätztechniken der Wafertechnologie unter Zuhilfenahme von Mikromontagetechniken.

In vorteilhafter Weise ist die Verbindung zwischen Cantilever und der Verlängerung eine Klebverbindung. Hierbei ist sicherzustellen, dass eine Relativbewegung zwischen Verlängerung und Cantilever möglichst vermieden wird.

Damit die Messempfindlichkeit der Sondenvorrichtung nicht eingeschränkt wird, ist bevorzugt vorgesehen, dass die Verlängerung eine andere, beispielsweise höhere, Steifigkeit als der Cantilever aufweist. Dadurch wird sichergestellt, dass eine Auslenkung der Verlängerung zu einer Durchbiegung des Cantilevers führt und nicht zu einer Durchbiegung der Verlängerung selber.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sondenvorrichtung ist zumindest eine zusätzliche Sondenspitze vorgesehen. Diese zusätzlichen Sondenspitzen können sowohl an der Verlängerung als auch an dem Cantilever selber an geordnet sein. Dies ermöglicht es, je nach Messvorhaben die jeweils geeignete Sondenspitze in die Wechselwirkung mit der zu messenden Struktur zu bringen.

Um dreidimensionale Strukturen, beispielsweise Gräben oder Löcher, vermessen zu können, ist erfindungsgemäß an dem freien Ende der Verlängerung auf zwei gegenüberliegenden Seiten jeweils eine Sondenspitze vorgesehen.

Für eine weitergehende Funktionalität der Sondenvorrichtung können an dem Cantilever mehrere Verlängerungen vorgesehen sein, die jeweils zumindest eine Sondenspitze aufweisen können.

Zur Erfassung von Strukturbreiten, Außendurchmesser oder einer Rundheit von Strukturen ist bei einer Ausführungsform der Sondenvorrichtung vorgesehen, dass an dem Cantilever zwei Verlängerungen parallel zueinander und voneinander beabstandet mit zueinander oder voneinander weisenden Sondenspitzen angeordnet sind.

Eine erfindungsgemäße Messanordnung zur Messung von Mikro- und Nanostrukturen ist mit einer erfindungsgemäßen Sondenvorrichtung und einer Detektionseinrichtung zur Erfassung der Auslenkung des Cantilevers vorgesehen.

Bei einer vorteilhaften Messanordnung weist die Detektionseinrichtung ein piezoresistives Element auf. Alternativ weist die Detektionseinrichtung ein optisches Interferometer auf. Bevorzugt weist die Detektionseinrichtung eine Lichtquelle und einen Fotoempfänger auf, um die Auslenkung des Cantilevers mittels des Lichtzeigerprinzips zu erfassen.

Bevorzugt ist bei einer erfindungsgemäßen Messanordnung die Lage der Sondenvorrichtung in Abhängigkeit der zu messenden Struktur regelbar und die Richtung der Lageregelung variabel. Dies ermöglicht beispielsweise ein Rastern der Sondenvorrichtung in jeder der XY-, XZ- und YZ-Ebenen, während die entsprechende dazu senkrechte Z-, Y- bzw. X-Richtung zur Lageregelung dient.

Nachfolgend wird die Erfindung an Hand der detaillierten Beschreibung der Ausführungsbeispiele unter Bezug auf die Figuren beispielhaft näher erläutert, in denen:
1a bis d – eine Sondenvorrichtung aus dem Stand der Technik zeigen;
2a bis d – verschiedene Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Sondenvorrichtung mit einer Sondenspitze zeigen;
3a bis c – zwei Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Sondenvorrichtung mit mehreren Sondenspitzen an einer Verlängerung zeigen;
4a und b – zwei Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Sondenvorrichtung mit mehreren Verlängerungen zeigen;
5a bis c – Ausführungsbeispiele verschiedener Detektionseinrichtungen zeigen;
6a bis f – Anwendungsbeispiele für die erfindungsgemäße Sondenvorrichtung zeigen; und
7a und b – zwei Ausführungsbeispiele für eine erfindungsgemäße Messanordnung zeigen.
In der 2a ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sondenvorrichtung 10 dargestellt, die ein Substrat 20, einen Cantilever 30, eine Verlängerung 40 und eine Sondenspitze 50 aufweist. Das Substrat 20 der Sondenvorrichtung 10 dient dazu, den Cantilever 30 und weitere Komponenten der Sondenvorrichtung 10 zu halten. Mittels des Substrates 20 kann die Sondenvorrichtung 10 beispielsweise an einem geeigneten Sondenhalter eines Kraftmikroskopes (nicht dargestellt) befestigt werden.
In der 2a ist ferner ein die X-, Y- und Z-Richtung anzeigendes Koordinatensystem gezeigt. Der 2a ist zu entnehmen, dass das beispielsweise plattenförmige Substrat 20 etwa parallel zur XY-Ebene ausgerichtet ist. Diese prinzipielle Anordnung wird auch für die nachfolgend beschriebenen und in den weiteren Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele aus Gründen einer übersichtlichen Darstellbarkeit angenommen. In der praktischen Anwendung, kann die Sondenvorrichtung um etwa 10° derart geneigt sein, dass der Cantilever 30 im Wesentlichen tiefer als das Substrat 20 ist.
An dem Substrat 20 ist mit einem ersten Ende der Cantilever 30 fest angeordnet, der dem Cantilever 3 (in den 1a bis c) zur Verwendung in üblichen Rastersondenmikroskopen entspricht. Der Cantilever 30 erstreckt sich in eine von dem Substrat fortweisende X-Richtung, so dass das freie Ende des Cantilevers 30 beispielsweise in die Z-Richtung ausgelenkt werden kann. Diese Auslenkung oder Verformung des Cantilevers 30 wird erfasst und dient als Detektionssignal für die Messung der Struktur einer Oberfläche.
Der Cantilever 30 kann eine Dicke von Hunderten Nanometern bis zu Hunderten Mikrometern, eine Breite von mehreren Mikrometern bis zu Hunderten Mikrometern und eine Länge von mehreren Mikrometern bis zu Hunderten Mikrometern aufweisen. Beispielsweise kann die Dicke etwa 500 nm, die Breite etwa 50 µm und die Länge 100–500 µm betragen. Er ist jedoch nicht auf die beschriebene Geometrie begrenzt. Für Sondenmodule zur Messung großer Strukturen (im Bereich von mehreren Hundert Mikrometern bis zu Millimetergröße) kann der Cantilever 13 auch mit größeren Abmessungen, beispielsweise eine Dicke von mehreren Mikrometern, einer Breite von Hunderten Mikrometern und einer Millimeterlänge, hergestellt werden.
Der Cantilever 30 muss nicht, wie in der 2a dargestellt ist, eine rechteckige Querschnittsform aufweisen, es sind auch trapezförmige, rautenförmige oder andere Querschnittsformen denkbar. Ferner können das Substrat 20 und der Cantilever 30 durch bereits bekannte Ätztechniken zusammen hergestellt werden, wie es bei den Sondenvorrichtungen für übliche Rastersondenmikroskope der Fall ist. Es ist denk bar, dass das Substrat 20 und der Cantilever 30 der erfindungsgemäßen Sondenvorrichtung 10 von einem kommerziell erhältlichen Silizium-Chip stammen oder Teile eines derartigen Chips verwendet werden.
An dem dem Substrat 20 gegenüberliegenden, freien Ende des Cantilevers 30 ist die Verlängerung 40 angeordnet, die sich parallel zu der Z-Richtung erstreckt. Der Winkel zwischen dem Cantilever 30 und der Verlängerung 40 beträgt somit im Wesentlichen 90°. Die Verlängerung 40 dient zur Halterung der Sondenspitze 50 und überträgt die auf die Sondespitze 50 wirkenden Kräfte aufgrund einer Wechselwirkung mit einer zu messenden Oberfläche. Dies führt zu einer Änderung des Verhaltens des Cantilevers 30, beispielsweise durch Biegung, Verdrehung und/oder Deformation.
Die Querschnittsgeometrie der Verlängerung 40 muss nicht wie dargestellt rechteckig sein. Als weitere Querschnittsformen sind ebenfalls trapezförmige, rautenförmige oder runde Geometrien denkbar. Die Verlängerung 40 kann einen Querschnitt von einigen Quadratmikrometern bis zu Quadratmillimetern und eine Länge von einigen Mikrometern bis hin zu Millimetern besitzen. Prinzipiell kann die Verlängerung ebenfalls aus einem kommerziell erhältlichen Cantilever gebildet sein und somit vergleichbare Abmessungen aufweisen. Es ist also möglich, die erfindungsgemäße Sondenvorrichtung 10 aus Bestandteilen zweier bereits bekannter Sondenvorrichtungen 1 (aus den 1a–c) zusammenzusetzen
Die Verlängerung 40 wird mit einer geeigneten Technologie an dem Cantilever 30 befestigt, in dem hier dargestellten Beispiel mittels eines Klebers 80. Hierbei ist wesentlich für die Befestigung der Verlängerung 40 an dem Cantilever 30, dass die Bewegungen der Verlängerung 40 aufgrund der Wechselwirkung mit der zu messenden Oberfläche möglichst ohne Verluste auf den Cantilever 30 übertragen werden, so dass dieser in Abhängigkeit der auftretenden Wechselwirkung ausgelenkt wird, denn die Auslenkung des Cantilevers 30 ist das Detektionssignal. Bevorzugt besitzt die Verlängerung 40 eine gegenüber dem Cantilever 30 größere Steifigkeit.
An dem dem Cantilever 30 gegenüberliegenden Ende der Verlängerung 40 ist die Sondenspitze 50 vorgesehen, die bei diesem ersten Ausführungsbeipiel in die X-Richtung zeigt. Die Sondenspitze 50 ist beispielsweise pyramidenförmig und deren Größe kann in einem Bereich von Nanometern bis zu Hunderten von Mikrometern variieren. Die Sondenspitze 50 und die Verlängerung 40 können einstückig mittels bekannter Ätztechnologien gefertigt werden oder unter bestimmten Umständen aus bereits vorhandenen kommerziell erhältlichen Sondenvorrichtungen für Rastersondenmikroskope zusammengesetzt werden.
Das Substrat 20, der Cantilever 30, die Verlängerung 40 und/oder die Sondenspitze 50 können aus Silizium, siliziumhaltigem Material, Metall, Keramik, Glas oder einem anderen geeignetem Material hergestellt sein. Ferner können die Verlängerung 40 und Sondenspitze 50 auch durch eine Glasfaser mit einem aufgeschmolzenen Ende ausgebildet sein. Um den Verschleiß zu reduzieren, kann die Sondenspitze 50 weiterhin mit verschiedenartigen Materialien, beispielsweise Diamant, zur Vergrößerung der Härte beschichtet sein.
Im Vergleich zu konventionell erhältlichen Messköpfen üblicher Koordinatenmessgeräte ist die erfindungsgemäße Sondenvorrichtung 10 in ihren Abmessungen deutlich kompakter und die für die Antastung erforderliche Kraft ist erheblich kleiner. Die Kräfte liegen bei einer Messung im Kontakt-Modus in der Größenordnung einiger Nanonewton und können bei der Anwendung dynamischer Betriebsmodi Werte unterhalb von Pikonewton annehmen.
Deshalb ist die Sondenvorrichtung 10 für Oberflächenmessungen an Messobjekten mit geometrischen Dimensionen und Eigenschaften im Mikro- und Nanometerbereich geeignet. Rastersondenmikroskope, beispielsweise Kraftmikroskope, sind für metrologische Aufgaben in dieser Größenordnung aufgrund ihrer sehr hohen vertikalen Auflösung, die in den Bereich von Sub-Nanometern reicht, und ihrer hohen lateralen Auflösung im Bereich unterhalb von etwa 10 nm favorisiert.
In der 2b ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sondenvorrichtung 11 dargestellt, die ein Substrat 21, einen Cantilever 31, eine Verlängerung 41 und eine Sondenspitze 51 aufweist. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist der Cantilever 31 eine andere Geometrie auf, beispielsweise die Form eines in der XY-Ebene liegenden V mit zwei Schenkeln 31a und 31b. Die Schenkel 31a und 31b sind jeweils mit einem Ende fest an dem Substrat 21 angeordnet und die anderen Enden gehen ineinander über, um den Fuß des V zu bilden.
Als weiterer Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel der 2a ist die Sondenspitze 51 in dem Ausführungsbeispiel der 2b auf der gegenüberliegenden Seite der Verlängerung 41 angeordnet und zeigt somit der X-Richtung entgegen.
In der 2c ist ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sondenvorrichtung 12 dargestellt, die ein Substrat 22, einen Cantilever 32, eine Verlängerung 42 und eine Sondenspitze 52 aufweist. Sind in den vorstehend erläuterten ersten beiden Ausführungsbeispielen die Verlängerungen 40 bzw. 41 jeweils im Wesentlichen senkrecht zu den Cantilevern 30 bzw. 31 an diesen befestigt, so ist bei dem dritten Ausführungsbeispiel die Verlängerung 42 mit einem bestimmten, von 90° abweichenden Winkel an dem Cantilever 32 angeordnet. Auch steht in diesem Beispiel die Sondenspitze 52 nicht im Wesentlichen senkrecht zu der Verlängerung 42 von dieser ab, sondern mit einem abweichenden Winkel, beispielsweise um etwa 10°. Dadurch wird erreicht, dass bei einem geneigt angeordneten Substrat 22 die Verlängerung 42 parallel zur Z-Richtung liegt. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich der Antastpunkt der Sondenspitze 52 auch weiter in die Richtung verlagert, in die sich die Verlängerung 42 von dem Cantilever 32 erstreckt, als es der Länge der Verlängerung 42 entspricht. Gleichzeitig lässt sich eine zu messende Oberfläche sowohl in Richtung der Verlängerung 42 als auch senkrecht dazu messen.
In der 2d ist ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sondenvorrichtung 13 dargestellt, die ein Substrat 23, einen Cantilever 33, eine Verlängerung 43 und eine Sondenspitze 53 aufweist. Die 2d illustriert, dass bei dem vierten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sondenvorrichtung 13 die Sondenspitze 53 in weiteren, verschiedenen Ausgestaltungen und Formen ausgebildet werden kann. Die Sondenspitze 53 kann neben der vorstehend erläuterten Pyramidenform weiterhin die Form eines Kegels oder, wie hier dargestellt, die Form einer Kugel aufweisen.
In dem fünften Ausführungsbeispiel, das in der 3a dargestellt ist, weist die erfindungsgemäße Sondenvorrichtung 14 ein Substrat 24, einen Cantilever 34 und eine Verlängerung 44 mit zwei Sondenspitzen 54a und 54b auf. Die Sondenspitzen 54a und 54b sind auf zwei gegenüberliegenden Seiten der Verlängerung 44 angeordnet, so dass die Sondenspitzen 54a und 54b in einander entgegengesetzte Richtungen weisen. Ein Verwendungsbeispiel für diese Sondenvorrichtung 14 der 3a wird nachfolgend anhand der 6a erläutert.
Im Unterschied zu der Sondenvorrichtung 14 aus der 3a zeigt das sechste Ausführungsbeispiel der 3b eine erfindungsgemäße Sondenvorrichtung 15 mit einem Substrat 25, einem Cantilever 35 und einer Verlängerung 45, an der noch weitere, zusätzliche Sondenspitzen 55a, 55b, 55c und 55d vorgesehen sind. Die 3c ist eine Ansicht der Verlängerung 45 aus der Z-Richtung, was durch den Pfeil in der 3b angedeutet ist. Der 3c ist zu entnehmen, dass der Querschnitt der Verlängerung 45 im Wesentlichen quadratisch ist und an jeder der vier Seitenflächen der Verlängerung 45 jeweils eine Sondenspitze 55a, 55b, 55c bzw. 55d hervorsteht, so dass das sechste, in der 3b gezeigte Ausführungsbeispiel somit insgesamt vier Sondenspitzen 55a, 55b, 55c und 55d aufweist.
In den 4a bzw. 4b sind zwei weitere Ausführungsbeispiele für erfindungsgemäße Sondenvorrichtungen 16 bzw. 17 dargestellt, die jeweils ein Substrat 26 bzw. 27 und einen Cantilever 36 bzw. 37 aufweisen. Die Sondenvorrichtungen 16 bzw. 17 sind jeweils mit mehreren Verlängerungen 46a und 46b bzw. 47a und 47b vorgesehen.
Bei der in der 4a gezeigten Sondenvorrichtung 16 sind die Verlängerungen 46a und 46b im Wesentlichen senkrecht zu dem Cantilever 36 ausgebildet. Die Verlängerungen 46a und 46b sind zueinander und zur Z-Richtung parallel ausgerichtet. An jeder der beiden Verlängerungen 46a bzw. 46b ist jeweils eine Sondenspitze 56a bzw. 56b angeordnet, die jedoch einander zugewandt ausgerichtet sind. Ein Verwendungsbeispiel für dieses siebte Ausführungsbeispiel wird nachfolgend unter Bezug auf 6c erläutert.
Die Sondenvorrichtung 17 des achten Ausführungsbeispiels, das in der 4b dargestellt ist, weist zwei Verlängerungen 47a und 47b auf, die mit einem bestimmten, von 90° abweichenden Winkel an dem Cantilever 37 durch Klebestellen 81a und 81b befestigt sind. Zusätzlich sind die von dem Cantilever 37 fortweisenden Enden der Verlängerungen 47a und 47b mittels einer zusätzlichen Klebstelle 82 miteinander verbunden, um die Stabilität der Sondenvorrichtung 17 der 4b zu erhöhen. Ferner sind an jeder Verlängerung 47a bzw. 47b jeweils eine Sondenspitze 57a bzw. 57b vorgesehen. Dieser Aufbau reduziert eine mögliche Relativbewegung zwischen den Verlängerungen 47a bzw. 47b und dem Cantilever 37, so dass die aufgrund einer Wechselwirkung von einer der beiden Sondenspitzen 57a oder 57b mit der zu messenden Oberfläche auftretenden Kräfte vollständig an dem Cantilever 37 weitergeleitet werden, der in Abhängigkeit der Wechselwirkung detektierbar ausgelenkt wird.
Die 5a bis c zeigen Beispiele verschiedener Detektionseinrichtungen zur Anwendung mit erfindungsgemäßen Sondenvorrichtungen 18 und 18'. Hierbei ist in der 5a das Detektionsprinzip eines Lichtzeigers dargestellt. Ein einfallender Laserstrahl 70 aus einer Laserquelle 71 trifft unter einem vorbestimmten Winkel auf die Oberseite eines von einem Substrat 28 gehaltenen Cantilevers 38 der Sondenvorrichtung 18. Der an dem Cantilever 38 reflektierte Laserstrahl 72 fällt anschließend auf einen Fotoempfänger 73.
Wenn dieser, wie in der 5a gezeigt ist, in mehrere Segmente 74 unterteilt ist, können die Bewegungen des reflektierten Laserstrahls 72 auf den einzelnen Seg menten 74 durch Spannungsänderungen an den Ausgängen (nicht dargestellt) der einzelnen Segmente 74 detektiert und an einen Steuereinrichtung (nicht dargestellt) für eine Auswertung weitergeleitet werden. Um die Reflektivität der Oberseite des Cantilevers 38 zu verbessern, kann die Oberseite zumindest in dem Bereich der Reflexion mit einer reflektiven Schicht, beispielsweise mit Gold oder mit Aluminium, beschichtet sein. Auch andere reflektive Materialien können als Beschichtung aufgetragen werden.
An dem freien Ende des Cantilevers 38 ist eine Verlängerung 48 angeordnet, die mit einer Sondenspitze 58 versehen ist, die der Sondenspitze 52 der Sondenvorrichtung 12 aus der 2c entspricht. Mittels des hier dargestellten Aufbaus der Sondenvorrichtung 18 ist auch eine Messung einer Oberfläche 60 möglich, die eine Vertiefung 61 von mehreren Mikrometern aufweist. Die Vertiefung hat einen Bodenbereich 62, der im Wesentlichen parallel zur Oberfläche 60 und somit zur XY-Ebene ist. Zwischen der Oberfläche 60 und dem Bodenbereich 62 befindet sich eine im Wesentlichen zur YZ-Ebene parallele Seitenfläche 63.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht somit auch eine Messung der Struktur an der Seitenfläche 63, ohne dass der Messaufbau verändert werden muss. Zunächst ist für eine Messung der Oberfläche 60 eine Messung der Struktur in der Z-Richtung durch eine Auslenkung des Cantilevers 38 in die Z-Richtung vorgesehen. Die Sondenvorrichtung 18 kann dabei in der XY-Ebene geführt werden, um einen bestimmten Bereich der Oberfläche 60 abzurastern. Für die Messung der Rauigkeit der Seitenfläche 63, wird die Sondenspitze 58 nun in der X-Richtung in Abhängigkeit der Struktur hin- und herbewegt. Durch die Verlängerung 48 wird die Bewegung der Sondenspitze 58 in X-Richtung in eine Auslenkung des Cantilevers 38 in Z-Richtung übertragen. Folglich kann die Sondenspitze 58 in der YZ-Ebene geführt werden, um die Seitenfläche 63 abzurastern.
Die erfindungsgemäße Sondenvorrichtung 18 ermöglicht deshalb, dass bei Beibehaltung der Detektion in der Z-Richtung durch eine entsprechende Auslenkung des Cantilevers 38 ein Strukturunterschied in eine von der Z-Richtung abweichende Messrichtung messbar ist. Die erfindungsgemäße Sondenvorrichtung 18 ist auch in bekannten Kraftmikroskopen einsetzbar.
Somit kann mit der erfindungsgemäßen Sondenvorrichtung 18 in jeder der XY-, XZ- und YZ-Ebenen gescannt bzw. gerastert und die dazugehörige Position in Z-, Y- bzw. X-Richtung als Regelgröße für die Lageregelung verwendet werden. Allerdings muss die Steuerung für die Nachführung der Sondenhalterung an den möglichen Wechsel der Messrichtung angepasst werden. Die Nutzung der XZ- und YZ-Ebene als Rasterebene ist sehr nützlich für den Fall der Messung an erhabenen Strukturen.
Die zu verwendende Rasterebene kann durch die Software geeignet und auch während der Durchführung einer Messung verändert werden. Der Wechsel der Rasterebene kann hierbei entweder automatisch oder manuell vorgenommen werden. Alternativ kann auch die Sondenvorrichtung 18 starr im Raum gehalten werden, während die zu untersuchende Struktur bewegt wird.
Die Auslenkung des Cantilevers 38 der Sondenvorrichtung 18 kann auch, wie in 5b illustriert ist, mittels eines optischen Interferometers 75, beispielsweise ein optisches Faserinterferometer, erfasst werden. Schließlich wird bei einem zehnten Ausführungsbeispiel unter Bezug auf die 5c die Durchbiegung, Verdrehung oder Deformation eines Cantilevers 38' einer Sondenvorrichtung 18' mittels eines piezoresistiven Effektes bestimmt. Hierzu können auf dem Substrat 28' definierte Mikrostrukturen 76 aufgebracht sein, die die in das Substrat 28' eingeleitete mechanischen Spannungen und Kräfte in leicht zu detektierbare elektrische Signale umwandeln. Die Kräfte entstehen durch die Auslenkung des Cantilevers 38', die durch eine Bewegung der Sondenspitze 58' und die Übertragung mittels der Verlängerung 48' verursacht werden.
Die 6a bis d zeigen noch weitere Anwendungsbeispiele für die vorstehend beschriebenen Sondenvorrichtungen 14 aus der 3a und 16 aus der 4a. In den 6e und 6f wird ein zusätzliches Anwendungsbeispiel für eine weitere erfindungsgemäße Sondenvorrichtung 19 illustriert.
In den 6a und 6b werden die Anwendungen der erfindungsgemäßen Sondenvorrichtung 14 für die Messung von Strukturbreiten, von Innendurchmessern und Löchern oder zur Bestimmung der Rundheit dieser Löcher dargestellt. Derartige Messungen sind insbesondere auch bei solch kleinen Löchern möglich, die mit konventionellen Koordinatenmessgeräten aufgrund der relativ großen Abmessungen der dortigen Messsonden nicht vermessbar sind.
Die Distanz D₁ kann bevorzugt mit einer der beiden Betriebsarten Non-Contact-Mode bzw. Tapping-Mode gemessen werden. Hierbei ergibt sich der Gesamtdurchmesser eines Loches 64 in 6a als Summe der gemessenen Strecke D₁ und der bauartig bestimmten Distanz d₁ zwischen den beiden Sondenspitzen 54a und 54b der Sondenvorrichtung 14. Die Distanz d₁ kann vor der Durchführung der Messung des zu untersuchenden Loches 64 unter Zuhilfenahme einer geeigneten Maßverkörperung (nicht dargestellt) kalibriert werden.
Zeigen die 6a und 6b die Messung des Innendurchmessers einer Struktur, so wird in den 6c und 6d die Messung der Breite einer erhöhten Struktur 65, eines Außendurchmessers oder entsprechend der Rundheit der erhöhten Struktur 65 bestimmt. Die erhabenen Strukturen 65 können beispielsweise Seitenwände von Halbleiterstrukturen, MEMS- oder NEMS-Strukturen sein. In diesem Beispiel ergibt sich die Breite der Struktur 65 als Differenz des bauartig vorbestimmten Distanz d₂ zwischen den Sondenspitzen 56a und 56b der Sondenvorrichtung 16 abzüglich der bevorzugt dynamisch gemessenen Strecke D₂. Die Distanz d₂ kann im Vorfeld der Anwendung auf der Basis der Messung einer bekannten Maßverkörperung (nicht dargestellt) kalibriert werden.
In den 6e und 6f sind eine weitere Sondenvorrichtung 19 und als Anwendungsbeispiel die Messung eines Zahnrades 67, beispielsweise ein Stirnrad, dargestellt. Die Sondenvorrichtung 19 weist ein Substrat 29 und einen daran angeordneten Cantilever 39 auf. Erfindungsgemäß ist von dem Cantilever 39 abgewinkelt eine Verlängerung 49 vorgesehen, die an ihrem freien Ende eine Sondenspitze 59a trägt. Die Verlängerung 49 ist in relativer Nähe zu dem Substrat 29 an dem Cantilever 39 angeordnet und an dem entfernteren und freien Ende befindet sich eine zusätzliche Sondenspitze 59b direkt an dem Cantilever 39.
Als Applikation für die Sondenvorrichtung 19 kann die Messung an dem Mikrozahnrad 67 betrachtet werden. Hierbei dient die Sondenspitze 59a zur Detektion einer Zahnflanke 68 des Zahnrades 67, wie es in der 6e gezeigt wird. Die zusätzliche Sondenspitze 59b wird zur Messung der Stirnfläche 69 des Zahnrades 67 verwendet, wie aus der 6f zu entnehmen ist. Unter der Vorraussetzung, dass die relative Lage der beiden Sondenspitzen 59a und 59b zueinander bekannt ist, beispielsweise durch eine vorher geeignet durchgeführte Kalibrierung, können mit Hilfe der Sondenvorrichtung 19 Aussagen zur Geometrie, wie zum Beispiel über die Orthogonalität der Zahnflanke 68 zu der Stirnfläche 69, gemacht werden.
Die 7a und 7b zeigen schematisch in perspektivischen Ansichten jeweils ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Messanordnung 90 und 95 zur Oberflächenmessung an einem Messobjekt 66, bei denen die erfindungsgemäße Sondenvorrichtung 18 verwendet wird, die bereits vorstehen unter Bezug auf 5a beschrieben wurde. Hierbei zeigt die 7a den Anwendungsfall, bei dem die Sondenvorrichtung 18 während des Messvorgangs starr angeordnet bleibt und das Messobjekt 66 relativ zu der Sondenspitze 58 der Sondenvorrichtung 18 bewegt wird, was auch mit „Scanning-Sample"-Prinzip bezeichnet wird.
Die Messanordnung 90 weist eine Grundplatte 91 auf, die bevorzugt auftretende Schwingungen und Vibrationen aus der Umgebung, beispielsweise eine Vibration des Laborfußbodens, mittels geeigneter mechanischer Dämpfer (nicht dargestellt) weitgehend reduziert, da derartige Erschütterungen der Messanordnung den Messvorgang, insbesondere bei der Messung von Mikro- und/oder Nanostrukturen, empfindlich stören.
Auf der Grundplatte 91 ist eine Trägervorrichtung 92 mit einer geeigneten Aufnahme 93 für das Substrat 28 vorgesehen, so dass die Sondenvorrichtung 18 von der Trä gervorrichtung 92 gehalten wird. Oberhalb des Cantilevers 38 sind als Bestandteile einer Detektionseinrichtung eine Laserquelle 71 und ein Fotoempfänger 73 zur Erfassung der Auslenkung des Cantilevers 38 angeordnet.
Auf der Grundplatte 91 ist ferner ein Messtisch 94 zur Halterung des Messobjektes 66 vorgesehen. Das zu untersuchende Messobjekt 66 wird auf dem Messtisch 94 ausgerichtet und kann relativ zu der Sondenspitze 58 der Sondenvorrichtung 18 bewegt werden. Hierbei erfolgt sowohl eine Grobpositionierung, die zur Positionierung des Messobjektes 66 vor dem Messvorgang dient, als auch eine Feinpositionierung, die die Scann- bzw. Rasterbewegungen während des Messvorgangs realisiert. Der für die Feinpositionierung verwendete Scanner kann beispielsweise in Form eines Piezo-Scanntisches ausgeführt sein. Der Messtisch 94 ist translatorisch in X-, Y- und Z-Richtung sowie rotatorisch um die Z-Achse beweglich.
In der 7b ist ein alternativer Aufbau dargestellt und die Messanordnung 95 entspricht dem „Scanning-Tip"-Prinzip. Die Messanordnung 95 weist ebenfalls eine bevorzugt dämpfende Grundplatte 96 auf, auf der sich eine Trägervorrichtung 97 befindet. Daran ist eine Halterung 98 vorgesehen, die zum Aufnehmen und Halten des Substrates 28 der Sondenvorrichtung dient. Die Halterung 98 kann translatorische Bewegungen in X-, Y- und Z-Richtung ausführen.
Das Messobjekt 66 ist auf einem Messtisch 99 angeordnet, der rotatorisch um die Z-Achse bewegt werden kann. Die beiden Messanordnungen 90 und 95 weisen somit die gleichen Freiheitsgrade der Bewegung auf. Es ist nicht ausgeschlossen, dass der Messtisch 94 oder die Halterung 98 zusätzlich Rotationsbewegungen um die X- und/oder die Y-Achse ausführen können. Ferner ist denkbar, dass eine Messanordnung bezüglich der Freiheitsgrade der Bewegungen überbestimmt ausgeführt wird.
Mit allen vorstehend beschriebenen Sondenvorrichtungen und Messanordnungen können sowohl rasternde bzw. scannende Messverfahren als auch so genannte „Berührungs"-Trigger-Messverfahren durchgeführt werden, bei dem die Sondenspitze punktweise aus einem wechselwirkungsfreien Bereich in einen Wechselwirkungs-Bereich gefahren, um Koordinaten zu bestimmen.

Claims

Sondenvorrichtung zur Messung von Mikro- und/oder Nanostrukturen mit einem biegeelastischen Cantilever (30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 38', 39), der mit einem ersten Ende fest an einem Substrat (20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 28', 29) angeordnet ist und eine Auslenkung von dessen zweiten, freien Ende aus einer Ruhelage heraus erfassbar ist, und mit einer Sondenspitze (50, 51, 52, 53, 54a, 54b, 55a, 55b, 55c, 55d, 56a, 56b, 57a, 57b, 58, 58', 59a), die mit einer zu messenden Struktur (60, 61, 62, 63, 64, 65, 67, 68) in eine Wechselwirkung bringbar ist, die die Auslenkung des freien Endes des Cantilevers (30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 38', 39) bewirkt, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Cantilever (30; 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 38', 39) und der Sondenspitze (50, 51, 52, 53, 54a, 54b, 55a, 55b, 55c, 55d, 56a, 56b, 57a, 57b, 58, 58', 59a) eine Verlängerung (40, 41, 42, 43, 44, 45, 46a, 46b, 47a, 47b, 48, 48', 49) vorgesehen ist, die von dem Cantilever (30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 38') abgewinkelt ist und eine Bewegung der Sondenspitze (50, 51, 52, 53, 54a, 54b, 55a, 55b, 55c, 55d, 56a, 56b, 57a, 57b, 58, 58', 59a) in eine Auslenkung des Cantilevers (30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 38', 39) überträgt.
Sondenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Cantilever und die Verlängerung einstückig sind.
Sondenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Cantilever (30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 38', 39) und die Verlängerung (40, 41, 42, 43, 44, 45, 46a, 46b, 47a, 47b, 48, 48', 49) separat herstellbar und anschließend geeignet miteinander verbunden sind.
Sondenvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung eine Klebverbindung (80, 81a, 81b) ist.
Sondenvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verlängerung (40, 41, 42, 43, 44, 45, 46a, 46b, 47a, 47b, 48, 48', 49) eine andere Steifigkeit als der Cantilever (30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 38', 49) aufweist.
Sondenvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine zusätzliche Sondenspitze (54a, 54b, 55a, 55b, 55c, 55d, 56a, 56b, 57a, 57b, 59b) vorgesehen ist.
Sondenvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass an dem freien Ende der Verlängerung (44, 45) auf zwei gegenüberliegenden Seiten jeweils eine Sondenspitze (54a, 54b, 55a, 55b, 55c, 55d) vorgesehen ist.
Sondenvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Cantilever (36, 37) mehrere Verlängerungen (46a, 46b, 47a, 47b) vorgesehen sind.
Sondenvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Verlängerungen (46a, 46b) parallel zueinander und voneinander beabstandet mit zueinander weisenden Sondenspitzen (46a, 46b) angeordnet sind.
Messanordnung zur Messung von Mikro- und/oder Nanostrukturen mit einer Sondenvorrichtung (10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 18', 19) nach einem der vorstehenden Ansprüche und einer Detektionseinrichtung (71, 73, 74, 75, 76) zur Erfassung der Auslenkung des Cantilevers (30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 38', 39).
Messanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung mindestens ein Piezo-Element (76) aufweist.
Messanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung ein optisches Interferometer (75) aufweist.
Messanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung eine Lichtquelle (71) und einen Fotoempfänger (73) aufweist.
Messanordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage der Sondenvorrichtung (10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 18', 19) in Abhängigkeit der zu messenden Struktur (60, 61, 62, 63, 64, 65, 67, 68, 69) regelbar und die Richtung der Lageregelung variabel ist.