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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 0 483 579 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 Verfahren 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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Im Artikel ”Carbon Nanotube Scanning Probe for Imaging in Aqueous Environment” von R. M. Stevens et al., IEEE Transactions on Nanobioscience, Vol. 3, pp. 56–60 (2004), sind Kohlenstoff-Nanoröhrchen zur Bildgebung in wässrigen Umgebungen beschrieben.
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Die
US 6,864,481 B2 offenbart die Messung von elektrischen Signalen mit Hilfe von elektrisch leitenden Spitzen, die mit dem FIB-CVD-Verfahren (Focused Ion Beam Chemical Vapor Deposition) hergestellt wurden.
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Im Artikel ”Nanoelectrode Scanning Probes from Fluorocarbon-Coated Single-Walled Carbon Nanotubes” von M. J. Esplandiu et al., Nano Letters, Vol. 4, pp. 1873–1879 (2004), ist offenbart, auf Spitzen für die Rastersondenmikroskopie elektrisch isolierende Beschichtungen aufzubringen.
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Im Artikel ”Focused electron beam induced deposition of high resolution magnetic scanning probe tips” von I. Utke et al., Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 706, Z9.24.1 (2002), ist die Funktionalisierung von Silizium-Spitzen durch Aufbringen einer magnetischen Beschichtung beschrieben.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, 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 sowie aufgrund des Metalls oder der Metallmischung bzw. der Legierung oder des elektrisch leitenden Kunststoffs in der besagten Schicht zur Reduzierung der durch Coulomb-Kräfte (von Aufladungen herrührende elektrostatische Kräfte) vorhandenen Wechselwirkungen zwischen Wand und Spitze. Insgesamt wird eine Sondeneinrichtung mit optimierter Geometrie und optimierter Ausgestaltung zur Reduzierung von unerwünschten Coulomb-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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Entsprechend der Erfindung ist die Stirnfläche der Spitze als ebene Fläche ausgebildet, wobei 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 erfindungsgemäßen 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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In wiederum einer anderen Ausgestaltung enthält die mindestens eine Schicht bzw. mindestens eine der Schichten einen Kunststoff mit elektrisch leitfähigen Eigenschaften.
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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 auszubilden. 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.
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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 Nanokristalliten, 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 geringer 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 mindestens eine Schicht auf, die Wechselwirkungen aufgrund von elektrostatischen Kräften (Coulomb-Kräften) verringert und idealerweise unterdrückt.
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Diese Schicht 8 ist erfindungsgemäß 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 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 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.
