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Die
Erfindung betrifft eine Sondeneinrichtung für die Rastersondentechnologie
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus
der
EP 0 438 579 A2 sind
Rastersondenmikroskope, Sonden sowie Herstellungsverfahren hierfür bekannt.
Insbesondere sind dort Sonden beschrieben, die eine nadelförmige Struktur
im Nanometer-Maßstab
aufweisen. Diese Struktur besteht aus einer Kohlenstoffmatrix und
ist auf einer pyramiden- oder kegelförmigen Siliziumspitze angeordnet.
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Im
Zuge der Miniaturisierung von Halbleiterbauteilen sind immer längere Sonden
mit immer kleineren Durchmessern gefragt, um die Geometrien der entsprechenden
Wafer zu überprüfen, insbesondere bei
der Ausmessung von tiefen Strukturen mit einem hohen Aspektverhältnis, z.B.
sog. Deep Trenches („tiefe
Gräben"). Viele der herkömmlichen
Sonden, namentlich solche aus Silizium, sind diesen Anforderungen
nicht mehr gewachsen, da sie bei derartigen kleinen Abmessungen
zu schnell abnutzen und/oder leicht brechen und daher für einen
längeren
Einsatz untauglich sind.
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Es
hat sich herausgestellt, dass sowohl hinsichtlich Langlebigkeit
als auch Genauigkeit insbesondere Spitzen vorteilhaft sind, die
nach einem additiven Verfahrung und hierbei insbesondere dem EBD-Verfahren
(electron beam induced deposition) hergestellt sind. In der
DE 198 25 404 C2 sind
derartige Spitzen und Verfahren zu ihrer Herstellung näher beschrieben,
wobei die dort vorgestellten Spitzen noch eine zusätzliche
Stützanordnung
an ihrem Fuß aufweisen.
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Insgesamt
ist es wünschenswert,
wenn die Spitze sehr steif ist, so dass die vermessenen Geometrien
der Messobjekte mittels der Auslenkungen des Auslegers, an dessen
freien Ende die Spitze angebracht ist, registriert werden. Unerwünscht sind hingegen
Auslenkungen der Spitze aufgrund eines zu niedrigen Elastizitätsmoduls,
da diese Auslenkungen sich nicht auf den Ausleger übertragen.
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Es
hat sich gezeigt, dass die in der
198 25 404 C2 beschriebenen Spitzen nicht
ganz die jüngsten
Anforderungen zur Vermessung von kleinsten Bauteil-Gräben erfüllen können. Auch
hat sich herausgestellt, dass Wechselwirkungen der Spitze mit den
Wänden
der Gräben
die Messungen unerwünschtermaßen beeinflussen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, die oben genannten Nachteile
zu vermeiden und eine sehr sensitive, aber relativ robuste Sondeneinrichtung
mit einer Spitze zu schaffen, die mittels eines additiven Verfahrens
hergestellt wird.
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Die
Aufgabe wird bei der Sondeneinrichtung durch die Merkmale des Anspruchs
1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Lösung zeichnet
sich dadurch aus, dass mittels der Kombination aus zylindrischer
Spitze einerseits und mindestens einer Schicht auf der Spitze andererseits
beispielsweise die „Deep
Trenches" hochpräzise abgetastet
werden können.
Die zylindrische Ausgestaltung erlaubt es hierbei, alle Ecken der tiefen
Wafer-Strukturen abzutasten, was mit einer Spitze, die Flanken mit
entsprechenden Seitenwinkeln aufweist, nicht möglich ist. Die mindestens eine Schicht
dient aufgrund sich aus dieser Geometrie ergebenden großflächigen Berührung der
Spitze mit den Wänden
des Trenches zur Reduzierung der Wechselwirkungen zwischen Wand
und Spitze. Die hierbei eine Rolle spielenden Kräfte können insbesondere van-der-Waals-Kräfte, Dipol-Dipol-Kräfte, Kapillarkräfte und/oder
Coulomb-Kräfte
(elektrostatische Kräfte
aufgrund von Aufladungen) sein. Insgesamt wird eine Sondeneinrichtung
mit optimierter Geometrie und optimierter Ausgestaltung zur Reduzierung
von unerwünschten
Wechselwirkungen realisiert.
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Da
die Ausleger von bekannten Sondeneinrichtungen zur besseren Handhabung
und zum besseren Ausmessen der Trenches oberhalb der zu vermessenen
Strukturen gehalten sind und von dort in Richtung der zu untersuchenden
Proben verlaufen, ist vorteilhafterweise die Zylinderachse der Spitze gegenüber der
Normalen des Auslegers um den gleichen Winkel geneigt wie der Ausleger
gegenüber
der Horizontalen. Der jeweilige Winkel liegt vorzugsweise zwischen
3°–18°. Vorteilhafterweise
liegt der Winkel zwischen 8° und
16°.
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Allgemein
beträgt
der Winkel mit Vorzug 0° bis
20°.
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Bevorzugt
ist die Stirnfläche
der Spitze als ebene Fläche
ausgebildet. Besonders bevorzugt verläuft die Stirnfläche der
Spitze senkrecht zur Zylinderachse der Spitze. Auf diese Weise tastet
idealerweise die gesamte Stirnfläche
den Boden der tiefen Strukturen bzw. Trenches ab. Auch können alle Ecken
der Trenches mit gleicher Präzision
abgetastet werden. Zwar ist es aufgrund des im wesentlichen kreisförmigen Querschnitts
der zylinderförmigen Spitze
nicht möglich,
bis ganz in eine jeweilige Ecke vorzudringen, was jedoch mit der
erreichten Flexibilität
aufgrund der erfindungsgemäßen geometrischen Ausgestaltung
nicht von besonderem Nachteil ist.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführung
enthält
die mindestens eine Schicht bzw. mindestens eine der Schichten auf
der Spitze ein Metall oder eine Metallmischung bzw. eine Legierung.
Eine derartige Legierung kann beispielsweise Pt, PtIr, Ti, Wti,
Cr, NiCr, Wolfram u.ä.
enthalten. Damit ist sichergestellt, dass elektrische Ladungen von
den Wänden
des zu untersuchenden Bauteils und/oder der Spitze abfließen können und
somit nicht die mechanischen Wechselwirkungen überlagern und stören.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung enthält
die mindestens eine Schicht bzw. mindestens eine der Schichten ein
Halbleiter-Material, das vor zugsweise elektrisch leitfähig ist
und somit ebenfalls elektrische Ladungseffekte reduziert. Als Materialien sind
hier beispielsweise zu nennen: TiN, TiO2,
SnO2 u.ä.
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In
wiederum einer anderen Ausgestaltung enthält die mindestens eine Schicht
bzw. mindestens eine der Schichten einen Kunststoff. Dieser kann elektrisch
leitfähige
Eigenschaften aufweisen. Beispiele für Kunststoffe sind Polyimide,
Polystyrole, Polyethylen, Polypyrole, Polyacryle u.ä.
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Ebenfalls
kann die mindestens eine Schicht bzw. mindestens eine der Schichten
ein Isoliermaterial enthalten, wobei hier SiO2,
Si3N4, Al2O3 u.ä. in Frage
kommen.
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Die
erfindungsgemäß mindestens
eine Schicht kann zudem hydrophile oder hydrophobe Oberflächeneigenschaften
aufweisen. Hierdurch lassen sich die Messmöglichkeiten erweitern und ggf. auch
die Wechselwirkungen, insbesondere die Kapillarkräfte, mit
den Messobjekten je nach Anwendung der Sondeneinrichtung reduzieren.
Beispielsweise lässt
sich die Oberfläche
durch Aufbringen einer Silanschicht (Silanierung) hydrophobisieren
und damit die Kapillarkraft aufgrund reduzierter Wasseradsorption
verringern.
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Die
vorgenannten Eigenschaften der mindestens einen Schicht beziehen
sich vorteilhafterweise auf die – im Falle von mehreren Schichten – äußerste Schicht,
damit die betreffenden Wechselwirkungen am wirksamsten reduziert
werden.
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Die
mindestens eine Schicht bzw. die eventuell mehreren Schichten werden
vorteilhafterweise so gewählt,
dass die Kombination aus Schichtmaterial und Probenmaterial des
Messobjekts so zueinander passen, dass die Wechselwirkung zwischen
Spitze und Probe reduziert wird. Das Material der zu untersuchenden
Probe findet demnach bevorzugt Berücksichtigung.
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Zur
Aufbringung der mindestens einen Schicht kommen verschiedene Verfahren – alleine oder
in Kombination – in
Betracht. Zu nennen sind hier das Aufbringen durch Eintauchen der
Spitze in eine entsprechende Flüssigkeit
oder Besprühen
mit einer solchen Flüssigkeit,
durch Aufdampfen, Besputtern, Plasmabeschichten oder durch ein PECVD-Verfahren
(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition).
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Bei
einer Weiterentwicklung ist es auch möglich, dass das Material der
Spitze und dasjenige der mindestens einen Schicht gewünschtermaßen miteinander
chemisch reagieren, beispielsweise verschmelzen, damit die Spitze
verbesserte Eigenschaften erhält – z.B. zur
Erhöhung
der Steifigkeit der Spitze und/oder zur Verbesserung der elektrischen
Leitfähigkeit.
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Der
Durchmesser der zylinderförmigen
Spitzen liegt mit Vorteil im Bereich von 50 nm bis 60 nm. Es hat
sich herausgestellt, dass derartige Spitzen eine lange Lebens- und
Nutzungsdauer besitzen.
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Vorzugsweise
liegt der Durchmesser der zylinderförmigen Spitze unterhalb von
30 nm liegt, bevorzugtermaßen
sogar im Bereich von 20 nm oder sogar darunter. Somit können auch
kleinste Trenches vermessen werden.
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Die
Länge der
Spitze der erfindungsgemäßen Sondeneinrichtung
liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 200 nm und 800 nm, um auch
sehr tiefe Trenches ausmessen zu können.
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Die
Spitze mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung
besteht vorzugsweise aus einer Kohlenstoffmatrix. Diese ist beispielsweise
gemäß dem in der
DE 198 25 404 C2 der
Anmelderin ausgebildet. Die Spitze kann dann eine große Härte mit
nur geringer Biegsamkeit aufweisen. Wenn in der gasförmigen Atmosphäre z.B.
organische Verbindungen vorhanden sind, ist es möglich, die Struktur und/oder
die Beschichtung als Kohlenstoffmodifikation auszubil den. Die Kohlenstoffmodifikation
kann hierbei ungefähr die
Härte von
Diamant besitzen, wobei die Kohlenstoffmodifikation eine geringere
Sprödheit
und/oder eine höhere
Flexibilität
bzw. Elastizität
als beispielsweise Diamant aufweisen kann. Damit lassen sich sehr
robuste und lange haltbare Spitzen herstellen.
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Um
die Spitzen mit den genannten Durchmessern von ca. 20 nm und kleiner
sowie einer Länge
von z.B. 800 nm (d.h. das Aspektverhältnis beträgt 1:40) herzustellen, wird
vorzugsweise ein Verfahren eingesetzt, das unter dem Namen Sauerstoffveraschung,
Sauerstoffverbrennen oder Plasmaveraschung („ashing") bekannt ist. In einer Sauerstoff enthaltenden
Atmosphäre
wird hierbei ein Plasma gezündet,
wobei hoch angeregte Sauerstoffradikale erzeugt werden, welche die äußersten
Lagen der Spitzenstruktur abtragen bzw. „abbrennen". Auf diese Weise wird können die
genannten kleinen Durchmesser der Spitze erhalten werden. Es hat
sich gezeigt, dass bei dieser Sauerstoffveraschung jedoch wahrscheinlich
elektrische Ladungen auf der Spitze zurückbleiben. Bei entsprechender
Ausbildung lassen sich diese Aufladungen durch die erfindungsgemäße mindestens
eine Schicht auf der Spitze vermeiden.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
Sondeneinrichtung in Seitenansicht;
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2 eine
Aufsicht auf die Sondeneinrichtung der 1;
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3a, 3b, 3c aufeinander
folgende Verfahrensschritte bei der Spitzenherstellung;
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4 die
Spitze einer Sondeneinrichtung mit aufgebrachter Schicht, im Querschnitt;
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5a die
Spitze bei der Vermessung eines Trenches, und
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5b eine
Aufsicht auf einen Trench mit möglichen
Positionen der Spitze in den vier Ecken.
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In
der
1 in Seitenansicht und in
2 in Aufsicht
ist eine Sondeneinrichtung
1 dargestellt, die einen fixierbaren
Bereich
2 zur Einspannung in eine nicht dargestellte Messeinrichtung
und einen Ausleger
3 (auch Cantilever genannt) umfasst.
Am freien Ende des Auslegers
3 ist eine pyramidenförmige Erhebung
4 vorgesehen,
auf der eine zylinderförmige Spitze
6 aufgebracht
ist. Der Fuß der
Spitze
5 ist mit einer Stützstruktur
5 an der
Erhöhung
4 angebracht, um
die mechanische Belastbarkeit der Spitze
6 zu erhöhen sowie
eine verstärkte
Verbindung zwischen Erhebung
4 und Spitze
6 zu
erhalten. Die Stützstruktur
5 kann
gemäß der
DE 198 25 404 C2 ausgebildet und
hergestellt sein.
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Die
Erhebung 4 sowie ggf. der gesamte Ausleger 3 bestehen
vorzugsweise aus Silizium oder aus Materialien mit isolierenden
(bspw. SiO2, SiN4)
Eigenschaften. Es ist aber auch möglich, dass halbleitende (bspw.
GaAs) oder leitende (bspw. Pt, Au) Materialien zum Einsatz kommen.
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In
den 3a–3c ist
ein Verfahren zur Bildung der Spitze 6 in mehreren Schritten
unter Verwendung von Elektronenstrahlen ES dargestellt. Bei dem
gezeigten und als EBD-Verfahren (electron beam induced deposition)
bekannten Verfahren findet unter Vakuum eine Wechselwirkung zwischen den im
allgemeinen hochenergetischen Elektronen, typischerweise im keV-Bereich, und den
Gasatomen bzw. -molekülen
der im Vakuum übriggebliebenen oder
gezielt eingeleiteten gasförmigen
Atmosphäre statt.
Hierbei werden Molekülverbindungen
leicht aufgebrochen und es entstehen freie Bindungen bzw. Radikale,
die leicht zu einem neuen Gefüge
auf der Erhebung 4 polymerisieren. Beispielsweise polymerisieren
organische Moleküle
(einschließlich
Prekursoren), die in einer definierten Gasatmosphäre vorhanden
sind, und formen Spitze 6 und Stützstruktur 5. Das
somit erzeugte HDC-Material
(high dense carbon) besteht im wesentlichen aus einer amorphen Kohlenstoffmatrix
einschließlich
Diamant- oder Metall-ähnlichen
Nanokristallieten, die starke kovalente C-C-Bindungen aufweisen.
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Die
Dauer der Energieübertragung
auf einen Punkt zur Ausbildung der Spitze kann länger als die Dauer der Energieübertragung
auf einen anderen Punkt sein. Durch die unterschiedliche Dauer der
Energieübertragung
erreicht man, dass unterschiedliche mechanische Eigenschaften erzielt
werden. Eine längere
Dauer der Energieübertragung
auf einen Punkt führt
im allgemeinen dazu, dass an diesem Punkt eine festere Verbindung
ausgebildet wird.
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Zu
Beginn des Elektronenbeschusses (3a) ist
lediglich die Erhebung 4 auf dem Ausleger 3 angeordnet.
In 3b ist ein späterer
Zeitpunkt dargestellt. Hierbei ist die Spitze 6 zu einem
gewissen Teil, jedoch noch nicht vollständig, bereits auf der Erhebung 4 ausgebildet.
Die – vorliegend
sockelartige – Stützstruktur 5,
welche den Fuß der
Spitze 6 umgibt, wird gleichzeitig mit der Spitze 6 hergestellt.
Der Elektronenstrahl ES wird auf der Oberfläche der Stützstruktur 5 derart
in vorbestimmten Verlaufsmustern geführt, dass die Stützstruktur 5 und
die Spitze 6 gemäß der Energieübertragung
ausgebildet werden. Um eine harte Spitze 6 auszubilden,
muss der Elektronenstrahl ES am Ort der Spitze 6 länger verweilen, so
dass sich dort mehr Atome bzw. Moleküle aus der gasförmigen Atmosphäre anlagern.
Die Verweildauer des Elektronenstrahles ES zur Ausbildung der Stützstruktur 5 ist
ge ringer als zur Ausbildung der Spitze 6, so dass sich
weniger Atome bzw. Moleküle
dort anlagern.
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Die
fertige Spitze 6 auf dem Ausleger 3 bzw. der Erhebung 4 ist
in der 3c dargestellt. Der Ausleger
bzw. Cantilever 3 weist beispielsweise eine Länge von
ungefähr
100 bis 500 μm,
eine Breite von etwa 20 bis 50 μm
und eine Dicke von circa 5 μm
auf. Die Erhebung 5 am freien Ende des Auslegers 4 besitzt
z.B. eine Basislänge
von typischerweise 10 bis 50 μm.
Die Höhe
der Spitze 6 beträgt
vorzugsweise zwischen 200 und 800 nm, während ihr Durchmesser vorzugsweise
kleiner als 30 nm ist. Bei einem Durchmesser von 20 nm und einer
Länge von
800 nm beträgt
das Aspektverhältnis,
d.h. das Verhältnis
von Durchmesser zu Länge,
1:40. Mit einer derartigen Spitze lassen sich auch enge, tiefe Gräben (Deep Trenches)
vermessen. In den 1–5 sind
die gezeigten Aspektverhältnisse
geringer gewählt
(ca. 12–14).
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Die
Spitze 6 bzw. ihre Achse ZA ist gegenüber der Normalen N um einen
Winkel α geneigt,
der vorliegend ca. 13° beträgt. Diese
geneigte Anordnung der Spitze 6 in Bezug auf den Ausleger 3 kann durch
Einstellung des Auftreffwinkels zwischen der Richtung des Energieeintrags
und der Fläche
der Stützstruktur 5 bzw.
der Spitze 6. Die Änderung
des Auftreffwinkels kann z.B. durch Relativbewegung oder mittels
einer Führungseinrichtung
für die
Energieübertragung
vorgenommen werden.
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In 4 ist
die Spitze 6 der 1–3 mit einer erfindungsgemäßen Schicht 8 dargestellt,
die hier der besseren Anschaulichkeit wegen mit übergroßer Dicke gezeichnet ist. Da
mit einer Spitze 6 mit einem hohen Aspektverhältnis in
den tiefen, engen Trenches eine hohe Messgenauigkeit erforderlich
ist, können
nicht gewünschte
Wechselwirkungen zwischen der Spitze 6 und den Wänden des
Messobjektes erhebliche Messverfälschungen
erzeugen. Diese Einflüsse
können
von Dipol-Dipol-Wechselwirkungen (van der Waals-Kräfte), Kapillarkräften, Coulomb-Kräften u.ä. herrühren. Erfindungsgemäß weist die
Spitze daher mindestens eine Schicht auf, die derartige Wechselwirkungen
verringert und idealerweise unterdrückt.
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Diese
Schicht 8 kann als Metallschicht oder als Metallmischung
bzw. Legierung ausgebildet sein, so dass elektrische Ladungen von
den Wänden
des zu untersuchenden Bauteils und/oder der Spitze abfließen können. Elektrostatische
Kräfte
(Coulomb-Kräfte) überlagern
somit nicht die mechanische Abtastung durch die Spitze. Die Schicht
kann auch aus einem Halbleiter-Material
bestehen, das vorzugsweise elektrisch leitfähig ist. In wiederum einer anderen
Ausgestaltung ist oder enthält
das Material der Schicht mindestens einen Kunststoff. Dieser kann
ebenfalls elektrisch leitfähige
Eigenschaften aufweisen.
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Bei
Bedarf kann das Material der mindestens einen Schicht 8 auch
derart gewählt
werden, dass nicht oder nicht nur die elektrostatischen Kräfte verringert
werden, sondern (auch) Kapillarkräfte oder Dipol-Dipol-Kräfte.
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Die
Aufbringung der Schicht 8 kann durch Eintauchen oder Besprühen der
Spitze 6 in/mit eine/r entsprechende/n Flüssigkeit – ggf. mit
thermischer Nachbehandlung, durch Materialbeschuss o.ä. – realisiert
werden. Auch kommen Aufdampfverfahren, Besputterung, Plasmabeschichtung
oder ein PECVD-Verfahren (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)
in Betracht.
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Die
Schicht 8 ist in der 4 als die
gesamte Spitze 6 umgebend dargestellt. Je nach Bedarf bzw. Anwendungsfall
kann die Schicht 8 auch lediglich an einem Teil der Spitze 6 ausgebildet
sein, beispielsweise nur in der oberen Hälfte.
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Auch
ein vollständiger
oder teilweiser Überzug
der Erhebung 4 ist möglich
und kann evtl. von dort herrührende
Wechselwirkungen mit dem Messobjekt verringern helfen.
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In
den 5a und 5b ist
beispielhaft dargestellt, wie mit einer erfindungsgemäß ausgebildeten
Spitze 6 mit gegen unerwünschte Wechselwirkungen abschirmender
Schicht 8 ein „Deep
Trench" DT eines
Wafers abgetastet wird (s. horizontalen Doppelpfeil). Durch den
Verlauf der am freien Ende der Spitze 6 vorgesehenen Stirnfläche 7 senkrecht zur
Zylinderachse ZA der Spitze 6 kann die gesamte Stirnfläche genutzt
werden, um den Boden des Trenches abzutasten.
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Wie
insbesondere der Aufsicht in 5b zu entnehmen
ist, können
alle Ecken des Trenches DT mit gleich hoher Präzision abgetastet werden. In
der 5b ist eine Position der Spitze 6 mit
einem durchgezogenen Kreis – den
kreisförmigen
Querschnitt der Zylinderspitze darstellend – wiedergegeben, die anderen
drei Eckpositionen mit gestrichelten Linien.
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Die
Erfindung wurde anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben.
Abwandlungen der Erfindung innerhalb der Ansprüche sind ohne weiteres möglich. So
können
beispielsweise zwei oder mehr übereinander
liegende Schichten auf der Spitze ausgebildet sein. Eine Schicht
könnte
beispielsweise zur Erhöhung
der Steifheit der Spitze und damit zur Erhöhung der Messgenauigkeit und
eine andere Schicht zur Reduzierung der elektrostatischen Kräfte beitragen,
indem sie insbesondere elektrisch leitend ausgebildet ist. Des weiteren
kann ein anderes additives Verfahren als das genannte EBD-Verfahren zur Anwendung
kommen, beispielsweise eine Ablagerung mittels eines Ionenstrahls.