DE102007019243A1

DE102007019243A1 - Abtasteinheit und mikromechanischer Abtastsensor mit einer Abtasteinheit

Info

Publication number: DE102007019243A1
Application number: DE102007019243A
Authority: DE
Inventors: Thomas Bayer; Johann Greschner; Georg Dr. Fritz; Samuel Kalt
Original assignee: TEAM NANOTEC GmbH
Current assignee: TEAM NANOTEC GmbH
Priority date: 2006-04-28
Filing date: 2007-04-24
Publication date: 2007-11-08

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abtasteinheit (13) für einen mikromechanischen Abtastsensor (10), insbesondere eines Raster-Kraft-Mikroskops, mit einem Basisteil (13a) zur Befestigung der Abtasteinheit (13) an einem Sensorarm (12) des Raster-Kraft-Mikroskops und mit einem Funktionsteil (13b), das mit dem Basisteil (13a) verbunden ist und das vorzugsweise eine im Wesentlichen zylindrische Form und an einem Endbereich (13c) mindestens eine Sensorspitze (14) aufweist. Erfindungsgemäß erstreckt sich die Sensorspitze (14) derart von dem Endbereich (13c) des Funktionsteils (13b) weg, dass ein Winkel (alpha) zwischen einer Längsachse (S) der Sensorspitze (14) und einer zu der Längsachse (L) des Funktionsteils (13b) im Wesentlichen orthogonal verlaufenden Ebene (E) von 0° verschieden ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abtasteinheit für einen mikromechanischen Abtastsensor, insbesondere eines Raster-Kraft-Mikroskops, mit einem Basisteil zur Befestigung der Abtasteinheit an einem Sensorarm des Raster-Kraft-Mikroskops, und mit einem Funktionsteil, das mit dem Basisteil verbunden ist und das eine, vorzugsweise im wesentlichen zylindrische Form und, an einem Endbereich mindestens eine Sensorspitze aufweist.
Derartige Abtasteinheiten werden bei Raster-Kraft-Mikroskopen dazu verwendet, um die Oberfläche eines zu untersuchenden Objekts bzw. einer Probe, bei der es sich auch um eine flüssige Substanz handeln kann, abzutasten.
Zur Abtastung von Oberflächen, die Strukturen mit steilen Seitenflanken enthalten, werden Abtasteinheiten eingesetzt, die gemäss der Seitenansicht nach 1 einen „senkkopfartigen" Querschnitt aufweisen. Die vorderste Fläche einer solchen Abtasteinheit ist dabei nach dem Stand der Technik eben ausgebildet. Bekannt ist ferner, dass diese Abtasteinheiten in der Draufsicht runde, rechteckförmige, kissenförmige sowie dreieckige Formen haben können.
Allen diesen Formen gemeinsam ist, dass, wie in der Seitenansicht von 1 dargestellt, ihre vorderste Ebene senkrecht zu dem Funktionsteil steht und eine ebene Fläche bildet.
Mit Abtasteinheiten der vorstehend beschriebenen Art misst man in Mikrostrukturen, zum Beispiel bei der Chip-Fertigung, den Seitenflankenwinkel, Seitenwandrauhigkeiten, sowie Distanzen zwischen benachbarten Seitenwänden.
Insbesondere für die Herstellung von schnellen CMOS Schaltkreisen ist es von großer Wichtigkeit, den exakten Verlauf des „Fußpunktes" von im Wesentlichen senkrechten Strukturen zu kennen. Insbesondere dann, wenn eine im wesentlichen senkrechte Struktur an diesem „Fußpunkt" eingeengt ist, will man diese Einengung genau vermessen können. Hierbei handelt es sich um Einengungen mit Radien von nur wenigen Nanometern. Polysilizium-Gate-Strukturen sind das bekannteste Beispiel für diese Messproblematik.
Erschwert wird das Messen dieses „Fußpunktes" in der Realität durch die Topographie des „Bodens" in der Umgebung der senkrechten Struktur. Jede Rauhigkeit im Nanometerbereich erschwert das Messen dieser Einengung, da diese häufig unterhalb des Niveaus der Bodenrauhigkeiten liegt. Die Abtasteinheiten nach dem Stand der Technik sind nur schlecht geeignet, diesen Fußpunkt zu messen. Da das vorderste Ende einer herkömmlichen Abtasteinheit wie in 1 veranschaulicht eine ebene Fläche bildet, bestimmt der „höchste" Punkt einer Bodentopographie die „Eindringtiefe" der Abtasteinheit, und das Messen der Fußeinengung wird dadurch erschwert oder eventuell völlig verhindert.
Eine weitere wichtige Anwendung der gattungsgemäßen Abtasteinheiten ist das Vermessen der Seitenwandrauhigkeit.
Hierbei haben die herkömmlichen Abtasteinheiten den inhärenten Nachteil eines relativ großen Eckenradius einer kreisförmigen bzw. rechteckförmigen Abtastspitze.
Für manche bekannten Formen von Abtasteinheiten tritt in der Praxis noch ein weiteres Problem auf, das die Messung der Fußeinengung beeinträchtigt.
Bei den heutigen Raster-Kraft-Mikroskopen sind die Abtasteinheiten gegenüber einem die Probe enthaltenden Substrat verkippt (3° bis ca. 15°). Durch diese Verkippung der vorderen Ebene der Abtasteinheiten wird die „effektive" Dicke der Abtastspitze erhöht, und damit die Fähigkeit der Messung von Seitenwandrauhigkeiten sowie „Fußeinengungen" ebenfalls limitiert.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Abtasteinheit der eingangs genannten Art anzugeben, mit der mikromechanische Strukturen besser erfassbar sind und die vorstehend geschilderten Nachteile überwunden werden.
Diese Aufgabe wird bei einer Abtasteinheit der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Sensorspitze sich derart von dem Endbereich des Funktionsteils weg erstreckt, dass ein Winkel zwischen einer Längsachse der Sensorspitze und einer zu der Längsachse des Funktionsteils im wesentlichen orthogonal verlaufenden Ebene von 0° Grad verschieden ist.
Das heißt, die Sensorspitze der erfindungsgemäßen Abtasteinheit erstreckt sich nicht rein orthogonal weg von der Längsachse des Funktionsteils, wie es bei den herkömmlichen Abtasteinheiten der Fall ist. Damit ist es möglich, Abtasteinheiten mit noch größeren Ortsauflösungen zu realisieren, die insbesondere auch zur Messung der Rauhigkeit von Seitenwänden geeignet sind.
Bei einer sehr vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abtasteinheit ist vorgesehen, dass der Winkel zwischen der Längsachse der Sensorspitze und der zu der Längsachse des vorzugsweise zylindrischen Formteils im wesentlichen orthogonal verlaufenden Ebene Werte aufweist zwischen etwa 5° und etwa 80°.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung deutet die Sensorspitze von dem Basisteil der Abtasteinheit weg. Das heißt, die Länge einer derartigen erfindungsgemäßen Abtasteinheit ergibt sich aus der Länge des zylindrischen Funktionsteils zzgl. desjenigen Abstands, um den sich die Sensorspitze der erfindungsgemäßen Abtasteinheit von dem Basisteil weg erstreckt, so dass allein die erfindungsgemäße Sensorspitze und nicht etwa ein sonstiger Endbereich des zylindrischen Funktionsteils den vordersten Bereich der erfindungsgemäßen Abtasteinheit bildet. Dadurch können im Vergleich zu herkömmlichen Abtasteinheiten kleinere Strukturen erfasst und mit einer höheren Ortsauflösung abgetastet werden.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abtasteinheit sind mehrere Sensorspitzen, insbesondere drei Sensorspitzen, vorgesehen, wobei die Sensorspitzen vorzugsweise jeweils in dem selben Winkelabstand zueinander angeordnet sind.
Einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abtasteinheit zufolge ist ein Querschnitt des zylindrischen Funktionsteils im wesentlichen kreisförmig oder elliptisch ausgebildet.
Alternativ hierzu ist es gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung auch möglich, dass ein Querschnitt des zylindrischen Funktionsteils im wesentlichen vieleckig ist, wobei die Anzahl der Grundseiten des vieleckigen Querschnitts der Anzahl der Sensorspitzen entspricht, und wobei jede Sensorspitze im Bereich einer Ecke zwischen zwei benachbarten Grundseiten angeordnet ist.
Besonders bevorzugte Erfindungsvarianten weisen hierbei drei oder vier Sensorspitzen auf.
Einer weiteren sehr vorteilhaften Erfindungsvariante zufolge weist das zylindrische Funktionsteil eine Länge auf, die größer ist als etwa 100 Nanometer bis etwa 500 Nanometer.
Bei einer anderen sehr vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abtasteinheit ist vorgesehen, dass ein Abstand zwischen einem radial äußeren Bereich der Sensorspitze und der Längsachse des zylindrischen Funktionsteils etwa 15 Nanometer oder mehr beträgt.
Einer weiteren Vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entsprechend kann ein Querschnitt des Funktionsteils rechteckig, insbesondere quadratisch, ausgebildet sein, wobei die Querschnittsfläche des Funktionsteils besonders bevorzugt etwa 20 % bis etwa 80 % einer Querschnittsfläche des Basisteils in dem Bereich zwischen dem Basisteil und dem Funktionsteil entspricht.
Weiter bevorzugt sind zwei Sensorspitzen vorgesehen, wobei diese vorzugsweise im Bereich einer kurzen Seite des rechteckigen Querschnitts des Funktionsteils angeordnet sind, was eine verbesserte Abtastung von Strukturen mit hohem Aspektverhältnis, insbesondere von Gräben und deren Seitenwänden und dergleichen, ermöglicht.
Als eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein mikromechanischer Abtastsensor gemäß Patentanspruch 13 angegeben. Der erfindungsgemäße mikromechanische Abtastsensor weist ein Halteteil und einen als Biegebalken ausgebildeten Sensorarm auf, der an einem ersten Ende mit dem Halteteil verbunden ist. Ferner weist der mikromechanische Abtastsensor eine erfindungsgemäße Abtasteinheit auf, die mit einem zweiten Ende des Sensorarms verbunden ist.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen mikromechanischen Abtastsensors ist vorgesehen, dass sich die Längsachse einer Sensorspitze der Abtasteinheit zumindest teilweise etwa parallel zu einer Längsachse des Sensorarms und vorzugsweise von dem Sensorarm weg erstreckt. Das heißt, die erfindungsgemäße Anordnung der Sensorspitze ist derart gewählt, dass sich die Sensorspitze in Verlängerung des Sensorarms fortsetzt.
Einer anderen sehr vorteilhaften Erfindungsvariante zufolge ist vorgesehen, dass sich die Längsachse mindestens einer Sensorspitze der Abtasteinheit zumindest teilweise etwa senkrecht zu einer Längsachse des Sensorarms erstreckt. Dadurch ergibt sich eine Konfiguration, bei der sich die betreffende Sensorspitze in einer zur Längsachse des Sensorarms parallelen Blickrichtung seitlich von dem Sensorarm weg erstreckt.
Bei noch einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abtastsensors ist der Halteteil und/oder der Sensorarm und/oder der Basisteil zumindest teilweise aus monokristallinem Silizium ausgebildet.
Bei einer anderen sehr vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abtastsensors ist vorgesehen, dass das Funktionsteil zumindest teilweise aus einem Material besteht, das aus der Gruppe der Nitride oder Carbide gewählt ist oder das diamantartiger Kohlenstoff oder CVD(Chemical Vapour Deposition)-Diamant ist.
Einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung zufolge kann das Funktionsteil anstelle einer im wesentlichen zylindrischen Form auch eine andere Form aufweisen, z.B. insbesondere auch eine Kegel- oder Pyramidenform.
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Erfindungsvariante ist vorgesehen, dass der Abtastsensor und/oder die Abtasteinheit oder die Sensorspitze zumindest teilweise eine Schutzschicht aus einem anderen Material aufweist. Unter dem anderen Material ist hierbei ein Material zu verstehen, das sich von dem Basismaterial der jeweiligen Komponente unterscheidet, das insbesondere eine höhere tribologische Beständigkeit als das jeweilige Basismaterial aufweist.
Die Schutzschicht kann vorteilhaft nur auf Teilbereichen der erfindungsgemäßen Komponenten vorgesehen sein oder auch auf der gesamten Oberfläche. Die erfindungsgemäße Schutzschicht weist beispielsweise eine Dicke von nur wenigen Nanometern auf und kann mittels den bekannten Beschichtungsverfahren PVD (physical vapour deposition), CVD (chemical vapour deposition), MOCVD (metal organic chemical vapour deposition) erzeugt werden. Ferner ist es möglich, die Schutzschicht unter Verwendung von EBID-(electron beam induced deposition) oder ALD-(atomic layer deposition)Verfahren aufzubringen.
Bevorzugt werden Schutzschichten aus diamantartigem Kohlenstoff oder Aluminiumoxid eingesetzt; es sind jedoch auch andere tribologisch besonders beständige Materialien denkbar zur Ausbildung der Schutzschicht.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
In der Zeichnung zeigt:
1 eine Seitenansicht einer Abtasteinheit aus dem Stand der Technik,
2 schematisch eine perspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abtasteinheit,
3 eine Seitenansicht eines die Sensorspitzen aufweisenden Endbereichs der erfindungsgemäßen Abtasteinheit aus 2,
4 eine Seitenansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abtastsensors,
Figur 5a–5f weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Abtasteinheit mit jeweils unterschiedlich vielen Sensorspitzen,
6 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abtasteinheit,
7 eine Draufsicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abtasteinheit in unterschiedlichen Ausrichtungen bezüglich des Sensorarms eines Abtastsensors, und
8 eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Abtastsensors, und
9a, 9b weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Abtasteinheit.
2 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Abtasteinheit 13 für einen mikromechanischen Abtastsensor eines Raster-Kraft-Mikroskops. Die Abtasteinheit 13 weist einen Basisteil 13a zur Befestigung der Abtasteinheit 13 an einem Sensorarm des Raster-Kraft-Mikroskops auf, und ein Funktionsteil 13b, das mit dem Basisteil 13a verbunden ist.
Wie aus 2 ersichtlich ist, besitzt das Funktionsteil 13b eine im wesentliche zylindrische Form. Das Funktionsteil 13b weist ferner einen von dem Basisteil 13a entfernten Endbereich 13c auf, an dem in dem vorliegenden Beispiel drei Sensorspitzen 14 angeordnet sind, die die Abtastung einer zu untersuchenden Oberfläche oder einer sonstigen Probe durch ein mit der Abtasteinheit 13 ausgestattetes Raster-Kraft-Mikroskop ermöglichen.
Bevorzugt sind die drei Sensorspitzen 14 jeweils in dem selben Winkelabstand zueinander angeordnet, d.h. vorliegend in einem 120°-Raster.
Erfindungsgemäß ist jede Sensorspitze 14 der in 2 abgebildeten Abtasteinheit 13 so angeordnet, dass sich die Sensorspitze 14 derart von dem Endbereich 13c des zylindrischen Funktionsteils 13b weg erstreckt, dass ein Winkel α (vgl. 3) zwischen einer Längsachse S der Sensorspitze 14 und einer zu der Längsachse L des zylindrischen Funktionsteils 13b im wesentlichen orthogonal verlaufenden Ebene E von 0° verschieden ist. Bei der Abbildung nach 3 beträgt der Winkel α beispielhaft etwa 20°.
Untersuchungen der Anmelderin haben ergeben, dass mit einer derartig ausgebildeten Abtasteinheit 13 eine noch größere Ortsauflösung beim Abtasten einer zu untersuchenden Probe erzielt werden kann. Insbesondere ist eine genauere Erfassung des Fußpunktes von senkrechten mikromechanischen Strukturen mit der erfindungsgemäßen Abtasteinheit 13 möglich. Bevorzugte Werte für den Winkel α zwischen der Längsachse S der Sensorspitze 14 und der Ebene E liegen erfindungsgemäß zwischen etwa 10° und etwa 70°, können aber auch außerhalb dieses Intervalls liegen, z.B. zwischen etwa 5° und etwa 80°.
Insbesondere bei Winkeln α > 45° erstreckt sich ein wesentlicher Teil der Sensorspitze 14 selbst in einer zur Längsrichtung des zylindrischen Formteils 13b parallelen Richtung, so dass sich hierdurch eine effektive Verlängerung der Abtasteinheit 13 ergibt.
Für Winkel α < 45° ragen die Endbereiche der Sensorspitzen 14 nach wie vor aus der Ebene E heraus, und der besondere Vorteil einer derartigen Konfiguration liegt bei der verbesserten Abtastung von Seitenwänden mikromechanischer Strukturen, beispielsweise um deren Rauhigkeit zu ermitteln.
Neben der in 3 abgebildeten Konfiguration ist es ferner möglich, die Sensorspitze 14 so anzuordnen, dass sie zu dem Basisteil 13a hindeutet. Durch eine derartige Ausformung der Sensorspitze 14 bzw. der Abtasteinheit 13 ist eine besonders gute Erfassung von Hinterschneidungen in mikromechanischen Strukturen möglich. Eine solche Erfindungsvariante ist beispielsweise dadurch zu erhalten, dass die in 3 abgebildeten Sensorspitzen 14 bzw. deren Längsachsen S an der ebenfalls in 3 abgebildeten Ebene E gespiegelt werden.
Der Querschnitt des zylindrischen Funktionsteils 13b kann einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zur Folge im wesentlichen kreisförmig oder elliptisch ausgebildet sein.
Alternativ hierzu ist es jedoch auch möglich, dass der Querschnitt des zylindrischen Funktionsteils 13b im wesentlichen vieleckig ist. Dabei ist die Anzahl der Grundseiten des vieleckigen Querschnitts bevorzugt gleich der Anzahl der Sensorspitzen 14 der Abtasteinheit 13. Ferner ist bei dieser Ausführungsform jede Sensorspitze 14 im Bereich einer Ecke zwischen zwei benachbarten Grundseiten angeordnet.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abtasteinheit 13 ist dadurch gekennzeichnet, dass das zylindrische Funktionsteil 13b eine Länge aufweist, die größer ist als etwa 100 Nanometer bis etwa 500 Nanometer. Andere Längen für das Funktionsteil 13b sind ebenso denkbar.
Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abtasteinheit 13 ist ferner dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand d zwischen einem radial äußeren Bereich 14a der Sensorspitze 14 (3) und der Längsachse L des zylindrischen Funktionsteils 13b etwa 15 Nanometer oder mehr beträgt. Sensorspitzen 14 mit einer anderen Länge bzw. einem anderen Abstand d sind ebenfalls realisierbar.
4 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Abtastsensors 10 für ein Raster-Kraft-Mikroskop, das die vorstehend anhand der 2 und 3 beschriebene Abtasteinheit 13 aufweist, die über ihr Basisteil 13a (vgl. auch 2) an einem zweiten Ende 12b (4) des Sensorarms 12 befestigt ist.
Ein erstes Ende 12a des Sensorarms 12 ist mit einem Halteteil 11 verbunden. Bevorzugt kann der Sensorarm 12 einstückig mit dem Halteteil 11 ausgebildet sein, wobei als Material insbesondere monokristallines Silizium in Frage kommt.
Die 5a bis 5f zeigen jeweils in Draufsicht unterschiedliche Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Abtasteinheit 13. Wie aus den 5a bis 5f ersichtlich ist, kann die erfindungsgemäße Abtasteinheit 13 unterschiedlich viele Sensorspitzen 14 aufweisen. Vorliegend ist in 5a eine Abtasteinheit mit vier Sensorspitzen gezeigt, währen die 5c und 5e Abtasteinheiten mit jeweils drei Sensorspitzen angeben.
Die 5d und 5f zeigen Abtasteinheiten mit jeweils zwei Sensorspitzen, und in 5b ist eine erfindungsgemäße Abtasteinheit mit nur einer Sensorspitze gezeigt.
Bevorzugt sind die einzelnen Sensorspitzen der Abtasteinheiten vorzugsweise jeweils in dem selben Winkelabstand zueinander angeordnet, d.h. bei einer Abtasteinheit mit z.B. vier Sensorspitzen, vgl. 5a, 90° und bei einer Abtasteinheit mit drei Sensorspitzen, vgl. 5e, 120°.
Erfindungsgemäß ragen alle Sensorspitzen der in den 5a bis 5f abgebildeten Abtasteinheiten in der vorstehend beschriebenen Weise um einen Winkel α aus der Ebene E (3) hervor, wobei die Ebene E in den 5a bis 5f beispielsweise etwa parallel zu der Zeichenebene ist.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abtastsensors 10 erstreckt sich die Längsachse S (3) einer Sensorspitze 14 der Abtasteinheit 13 zumindest teilweise etwa parallel zu einer Längsachse des Sensorarms 12, d.h. in 4 nach rechts. Dadurch bildet die betreffende Sensorspitze 14 gleichsam eine Verlängerung des Sensorarms 12 des erfindungsgemäßen Abtastsensors 10 bzw. fluchtet mit dem Sensorarm 12.
7.1 zeigt eine ähnliche Konfiguration, bei der eine insgesamt drei Sensorspitzen 14 aufweisende erfindungsgemäße Abtasteinheit 13 so auf dem Sensorarm 12 angeordnet ist, dass sich die Längsachse S einer Sensorspitze 14 in etwa parallel zu einer mit dem Pfeil L' angedeuteten Längsachse des Sensorarms 12 erstreckt.
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abtastsensors 10 ist vorgesehen, dass sich die Längsachse S (3) mindestens einer Sensorspitze 14 zumindest teilweise etwa senkrecht zu einer Längsachse des Sensorarms 12 erstreckt. Das heißt, bei einer derartigen Konfiguration würde sich die Längsachse S der Sensorspitze 14 etwa senkrecht zu der Zeichenebene der 4 erstrecken. Dieser Sachverhalt ist auch anhand 7.2 veranschaulicht.
Für die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ist zu beachten, dass sich die Sensorspitzen 14 jeweils nicht exakt parallel bzw. senkrecht zu dem Sensorarm 12 erstrecken, sondern um den erfindungsgemäß vorgesehenen und anhand von 3 ausführlich beschriebenen Winkel α ausgelenkt, d.h. in 4 beispielsweise um etwa 20° gegenüber der Horizontalen nach oben geneigt.
Zur Steigerung der Stabilität der erfindungsgemäßen Abtasteinheit 13 ist es ferner möglich, das Funktionsteil 13b und die Sensorspitzen 14 aus einem mikrotribologisch besonders beständigen Material auszubilden, während weitere Bereiche der Abtasteinheit 13 z.B. aus monokristallinem Silizium gefertigt werden, was aus fertigungstechnischen Gesichtspunkten besonders günstig ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Funktionsteil 13b zumindest teilweise aus einem Material besteht, das aus der Gruppe der Nitride oder Carbide gewählt ist oder das diamantartiger Kohlenstoff oder CVD(Chemical Vapour Deposition)-Diamant ist.
Bei der in 6.1 gezeigten Abtasteinheit 13 sind Komponenten 13a, 13b und auch der Endbereich 13c des Funktionsteils 13b aus einem einzigen Material ausgebildet. Dagegen bestehen die erfindungsgemäß herausgewölbten Sensorspitzen 14 aus einem zweiten Material. Dies kann zum Beispiel diamantartiger Kohlenstoff sein. Es kommen aber eine Fülle von Materialien in Frage, die die für die Abtastung geeignete Funktionalität besitzen.
Bei der in 6.2 gezeigten Abtasteinheit besteht das Basisteil 13a aus einem ersten Material, während das Funktionsteil 13b aus einem zweiten Material, die individuellen Sensorspitzen 14 aber aus einem dritten Material bestehen. Beispiele hierfür sind: monokristallines Silizium für den Basisteil 13a, Silizium-Nitrid für das Funktionsteil 13b, sowie diamantartiger Kohlenstoff für die individuellen Sensorspitzen 14.
Bei der in 6.3 gezeigten Abtasteinheit besteht das Basisteil 13a aus einem ersten Material, das Funktionsteil 13b sowie die individuellen Sensorspitzen 14 aus einem zweiten Material. Beispiele sind: Basisteil 13a aus einkristallinem Silizium, der Rest 13b, 14 aus Silizium-Nitrid.
Insgesamt ermöglicht die erfindungsgemäße Abtasteinheit 13 die Abtastung von Oberflächen mit einer im Vergleich zu herkömmlichen Systemen deutlich gesteigerten Ortsauflösung und mit verbesserter Genauigkeit im Fußpunktbereich vertikaler Strukturen.
Auf Grund der Tatsache, dass der Sensorarm 12 und damit auch die Sensorspitze 14 eines Abtastsensors 10 wie in 8.1 dargestellt gegenüber einem zu messenden Substrat 20 verkippt ist (Winkel z.B. etwa 3°), und weil man bei den meisten Raster-Kraft-Mikroskopen sowohl in der Längsrichtung L' des Sensorarms 12 als auch quer dazu abtasten kann, ist die Orientierung der erfindungsgemäßen Abtasteinheit 13 und ihrer Sensorspitzen 14 auf dem Sensorarm 12 ein wichtiger Bestandteil der vorliegenden Erfindung.
In 7.1 und 7.2 sind zwei wichtige Orientierungen auf dem Sensorarm 12 für eine drei Sensorspitzen 14 beschrieben. 7.1 zeigt die Orientierung der Sensorspitze 14 aufweisende Abtasteinheit 13 beim Abtasten in Richtung L' des Sensorarms 12.
Der auch als cantilever bezeichnete Sensorarm 12 ist bei vielen Raster-Kraft-Mikroskopen nach vorne verkippt (siehe 8.1), und nur die nach vorne zeigende Spitze 14 des „Dreizacks" wird dabei zum Abtasten des Substrats 20 eingesetzt. Die beiden „hinteren", in 7.1 quer zur Längsachse L' des Sensorarms 12 liegenden Spitzen 14' schweben auf Grund der Verkippung von etwa 3° über dem Substrat 20.
In 7.2 ist die Orientierung der Sensorspitzen 14 bei der Abtastrichtung quer zur Längsachse L' des Sensorarms 12 gezeigt. Mit den beiden nach vorne orientierten Spitzen 14'' (in 7.2 rechts) wird abgetastet, die dritte, nach hinten (d.h. in 7.2 links) zeigende Spitze 14''' schwebt hierbei über dem Substrat 20 (8.2).
Die in 7.1 gezeigte Orientierung der Sensorspitze 14 in Kombination mit dem Abtast-Mode in Richtung L' erreicht aber nur zusammen mit einer Verkippung des Funktionsteils 13b der Abtasteinheit 13 gegenüber dem Sensorarm 12 seine optimale Funktion. Dies wird in 8.2 graphisch dargestellt. Das Funktionsteil 13b wird dabei gegenüber der Längsachse L' des Sensorarms 12 um denselben Winkel von etwa 3° verkippt hergestellt, um den der Sensorarm 12 in dem Raster-Kraft-Mikroskop (nicht gezeigt) verkippt eingebaut wird. In 8.2 ist dies für das Beispiel einer 3°-Verkippung gezeigt.
Die Herstellung der erfindungsgemäßen Abtasteinheiten 13 und ihrer Sensorspitzen kann mit mikro-/nano-technischen Methoden nach dem Stand der Technik erfolgen.
Die erfindungsgemäße Abtasteinheit 13 weist aufgrund der im wesentlichen länglichen Ausbildung der Sensorspitze 14 (3) insgesamt einen kleinen Spitzenradius in ihrem Endbereich 14a auf sowie ein hohes lokales Aspektverhältnis der einzelnen Sensorspitzen 14.
Das wichtigste Merkmal der erfindungsgemäßen Abtasteinheit 13 ist die Herauswölbung der Sensorspitze(n) 14 aus der senkrecht zu der Längsachse L des Funktionsteils 13b stehenden Ebene E (3). Bezogen auf diese Ebene E haben die erfindungsgemäßen Sensorspitzen 14 einen „konkaven" Abschluss.
Einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung zufolge kann das Funktionsteil 13 anstelle einer im wesentlichen zylindrischen Form auch eine andere Form aufweisen, z.B. insbesondere auch eine Kegel- oder Pyramidenform (nicht gezeigt).
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Erfindungsvariante ist vorgesehen, dass der Abtastsensor 10 und/oder die Abtasteinheit 13 oder die Sensorspitze 14 zumindest teilweise eine Schutzschicht (nicht gezeigt) aus einem anderen Material aufweist. Unter dem anderen Material ist hierbei ein Material zu verstehen, das sich von dem Basismaterial der jeweiligen Komponente unterscheidet, und das insbesondere eine höhere tribologische Beständigkeit als das jeweilige Basismaterial aufweist.
Die Schutzschicht kann vorteilhaft nur auf Teilbereichen der erfindungsgemäßen Komponenten 10, 13, 14 vorgesehen sein oder auch auf der gesamten Oberfläche. Die erfindungsgemäße Schutzschicht weist beispielsweise eine Dicke von nur wenigen Nanometern auf und kann mittels den bekannten Beschichtungsverfahren PVD (physical vapour deposition), CVD (chemical vapour deposition), MOCVD (metal organic chemical vapour deposition) erzeugt werden. Ferner ist es möglich, die Schutzschicht unter Verwendung von EBID-(electron beam induced deposition) oder ALD-(atomic layer deposition)Verfahren aufzubringen.
Bevorzugt werden Schutzschichten aus diamantartigem Kohlenstoff oder Aluminiumoxid eingesetzt; es sind jedoch auch andere tribologisch besonders beständige Materialien denkbar zur Ausbildung der Schutzschicht.
In den 9a und 9b sind weitere sehr vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Abtasteinheit 13 abgebildet, wobei die Ausführungsform gemäß 9a ein Funktionsteil 13b mit rechteckigförmigem Querschnitt aufweist, während die in 9b abgebildete Ausführungsform der Erfindung ein Funktionsteil 13b mit quadratischem Querschnitt aufweist.
Besonders vorteilhaft sind bei diesen Ausführungsformen der Erfindung jeweils zwei Sensorspitzen 14 vorgesehen. Bei der Ausführungsform gemäß 9a sind die Sensorspitzen 14 vorteilhaft im Bereich einer kurzen Seite des rechteckigen Querschnitts des Funktionsteils 13b angeordnet, so dass die betreffende Abtasteinheit 13 besonders gut geeignet ist zur Abtastung von Strukturen mit verhältnismäßig großen Aspektverhältnissen. Gleichzeitig weisen die in 9a und 9b veranschaulichten Ausführungsformen beziehungsweise deren Funktionsteile 13b eine sehr große Quersteifigkeit auf, was die Lebensdauer der Abtasteinheit steigert und die Untersuchung von Strukturen mit hohem Aspektverhältnis verbessert.
Eine besonders hohe Quersteifigkeit des Funktionsteils 13b ergibt sich insbesondere dann, wenn eine Querschnittsfläche des Funktionsteils 13b etwa 20 % bis etwa 80 % einer Querschnittsfläche des Basisteils 13a in dem Bereich zwischen dem Basisteil 13a und dem Funktionsteil 13b entspricht.

Claims

Abtasteinheit (13) für einen mikromechanischen Abtastsensor (10), insbesondere eines Raster-Kraft-Mikroskops, mit einem Basisteil (13a) zur Befestigung der Abtasteinheit (13) an einem Sensorarm (12) des Raster-Kraft-Mikroskops, und mit einem Funktionsteil (13b), das mit dem Basisteil (13a) verbunden ist und das, vorzugsweise eine im wesentlichen zylindrische Form und, an einem Endbereich (13c) mindestens eine Sensorspitze (14) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorspitze (14) sich derart von dem Endbereich (13c) des Funktionsteils (13b) weg erstreckt, dass ein Winkel (α) zwischen einer Längsachse (S) der Sensorspitze (14) und einer zu der Längsachse (L) des Funktionsteils (13b) im wesentlichen orthogonal verlaufenden Ebene (E) von 0° verschieden ist.
Abtasteinheit (13) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (α) Werte zwischen etwa 5° und etwa 80° aufweist.
Abtasteinheit (13) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorspitze (14) von dem Basisteil (13a) wegdeutet.
Abtasteinheit (13) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere, insbesondere drei, Sensorspitzen (14) vorgesehen sind, wobei die Sensorspitzen (14) vorzugsweise jeweils in dem selben Winkelabstand zueinander angeordnet sind.
Abtasteinheit (13) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Querschnitt des Funktionsteils (13b) im wesentlichen kreisförmig oder elliptisch ist.
Abtasteinheit (13) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Querschnitt des Funktionsteils (13b) im wesentlichen vieleckig ist, wobei die Anzahl der Grundseiten des vieleckigen Querschnitts der Anzahl der Sensorspitzen (14) entspricht, und wobei jede Sensorspitze (14) im Bereich einer Ecke zwischen zwei benachbarten Grundseiten angeordnet ist.
Abtasteinheit (13) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Querschnitt des Funktionsteils (13b) rechteckig, insbesondere quadratisch, ist.
Abtasteinheit (13) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Sensorspitzen (14) vorgesehen sind, wobei die Sensorspitzen (14) vorzugsweise im Bereich einer kurzen Seite des rechteckigen Querschnitts des Funktionsteils (13b) angeordnet sind.
Abtasteinheit (13) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Querschnittsfläche des Funktionsteils (13b) etwa 20 % bis etwa 80 % einer Querschnittsfläche des Basisteils (13a) in dem Bereich zwischen dem Basisteil (13a) und dem Funktionsteil (13b) entspricht.
Abtasteinheit (13) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionsteil (13b) eine Länge aufweist, die größer als etwa 100 Nanometer bis etwa 500 Nanometer ist.
Abtasteinheit (13) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand (d) zwischen einem radial äußeren Bereich (14a) der Sensorspitze (14) und der Längsachse (L) des Funktionsteils (13b) etwa 15 Nanometer oder mehr beträgt.
Abtasteinheit (13) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtasteinheit (13) oder die Sensorspitze (14) zumindest teilweise eine Schutzschicht aus einem anderen Material aufweisen.
Mikromechanischer Abtastsensor (10), insbesondere für ein Raster-Kraft-Mikroskop, mit einem Halteteil (11) und mit einem als Biegebalken ausgebildeten Sensorarm (12), der an einem ersten Ende (12a) mit dem Halteteil (11) verbunden ist, und mit einer Abtasteinheit (13), die mit einem zweiten Ende (12b) des Sensorarms (12) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtasteinheit (13) nach einem der vorstehenden Ansprüche ausgebildet ist.
Abtastsensor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Längsachse (S) einer Sensorspitze (14) der Abtasteinheit (13) zumindest teilweise etwa parallel zu einer Längsachse des Sensorarms (12) und vorzugsweise von dem Sensorarm (12) weg erstreckt.
Abtastsensor (10) nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Längsachse (S) mindestens einer Sensorspitze (14) der Abtasteinheit (13) zumindest teilweise etwa senkrecht zu einer Längsachse des Sensorarms (12) erstreckt.
Abtastsensor (10) nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Halteteil (11) und/oder der Sensorarm (12) und/oder der Basisteil (13a) zumindest teilweise aus monokristallinem Silizium bestehen.
Abtastsensor (10) nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionsteil (13b) zumindest teilweise aus einem Material besteht, das aus der Gruppe der Nitride oder Carbide gewählt ist, oder das diamantartiger Kohlenstoff oder CVD(Chemical Vapour Deposition)-Diamant ist.
Abtastsensor (10) nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Abtastsensor (10) zumindest teilweise eine Schutzschicht aus einem anderen Material aufweist.