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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kopplungseinrichtung für ein Rasterkraftmikroskop mit akustischer Probenanregung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, auf ein entsprechendes Rasterkraftmikroskop sowie auf ein entsprechendes Verfahren zur Schalleinkopplung an einem solchen Rasterkraftmikroskop mit akustischer Probenanregung. Die erfindungsgemäße Kopplungseinrichtung lässt sich dabei insbesondere im Rahmen der sog. AFAM-Technik (AFAM von engl. Atomic Force Acoustic Microscopy) einsetzen, wie auch für andere Rasterkraftmikroskopie-basierte Vorrichtungen bzw. Verfahren, bei denen die akustische Anregung über die Probe erfolgt. Die vorliegende Erfindung kann insbesondere auch bei der UFM-Technik (UFM von engl. Ultrasonic Force Microscopy) eingesetzt werden. Nachfolgend wird die Erfindung anhand der AFAM-Technik, einem bedeutenden Vertreter der Rasterkraftmikroskopie mit akustischer Probenanregung erläutert.
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Aus dem Stand der Technik ist (
US 2008/0276695 A1 ) eine Kopplungseinrichtung für ein Rasterkraftmikroskop bekannt. Hierbei ist ein Probenhalter vorgesehen, der auf einer Translationsstufe angeordnet ist und die Probe trägt. Eine Ultraschallanregung erfolgt von unten mithilfe eines Wandlers, der über einen Wassertropfen an die Unterseite der Probe angekoppelt ist. Auch eine Ultraschallanregung von oberhalb der Probe ist möglich.
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Der Stand der Technik (
DE 102 37 627 A1 ) kennt darüber hinaus ein Rasterkraftmikroskop, bei dem mithilfe eines Ultraschallwandlers über eine Vorlaufstrecke, die eine Honigschicht umfassen kann, von unten Ultraschallenergie in eine Probe eingekoppelt werden kann. Mit einer solchen Einkopplung lassen sich quantitative Aussagen über die Reibungseigenschaften der Probenoberfläche gewinnen, wobei die Schwingungsanregung so erfolgen kann, dass auch harmonische Schwingungsanteile erzeugt werden.
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Schließlich beschreibt die
US 2006/0075807 A1 ein Rasterkraftmikroskop mit akustischer Probenanregung. Hierbei ist der Abtastkopf oberhalb einer mit Flüssigkeit gefüllten Zelle angeordnet, in der dann auch die abzutastende Probe angeordnet werden kann. Über eine für Ultraschallenergie transparente Platte wird mittels eines Ultraschallwandlers von unten Energie eingekoppelt. Die Ultraschallenergie wird beispielsweise mithilfe einer Fresnel-Linse auf den Schwingungsbalken bzw. die Abtastspitze eingekoppelt und nicht auf die Probe.
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Die AFAM-Technik ist dem Fachmann aus dem Stand der Technik bereits bekannt (
US-Patent 5,675,075 ). Diese Technik wird zur hochauflösenden Abbildung qualitativer elastischer Unterschiede oder zur quantitativen Messung elastischer Eigenschaften von Probenkörpern bzw. Proben eingesetzt. Eine Probe wird bei dieser Technik akustisch an einen Ultraschallerzeuger (Ultraschall-Prüfkopf) angekoppelt. Dabei befindet sich der Probenkörper auf dem Schallerzeuger, wobei sich eine dünne Schicht eines Koppelmittels (z. B. viskoses Glycerin, ausgehärteter Silberleitlack o. ä.) zwischen Probe und Prüfkopf befindet. Dieser Aufbau ermöglicht es, longitudinale Schallwellen in die Probe einzukoppeln und die Probenoberfläche zu kontinuierlichen Vertikalschwingungen (sog. Out-of-Plane-Schwingungen) anzuregen. Diese Schwingungen werden dann über die aufliegende Sensorspitze in den AFM-Federbalken des Rasterkraftmikroskops eingekoppelt. Das Resonanzverhalten der resultierenden Federbalkenschwingungen wird ausgewertet (z. B. Lage von Kontaktresonanzfrequenzen), um elastische Eigenschaften der Probe zu bestimmen.
1 zeigt hierzu das aus dem Stand der Technik bekannte Prinzip der AFAM-Technik (B ist die Blattfeder bzw. der Cantilever mit der daran befestigten Nadel zur Abrasterung der Probe).
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Bei der vorbeschriebenen wie bei den anderen aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen und Verfahren wird die Probe fest auf dem Ultraschallerzeuger bzw. dem Ultraschall-Prüfkopf durch ein viskoses oder ausgehärtetes akustisches Koppelmittel fixiert. Dadurch ergibt sich ein wesentlicher Nachteil dahingegehend, dass die Probe und der Schallerzeuger nicht lateral gegeneinander verschiebbar sind. Die akustische Anregung von Oberflächenschwingungen ist daher stark lokal begrenzt. Messorte auf Proben mit großer Fläche, wie beispielsweise Siliziumwafer oder Photomasken, sind daher nur mit erhöhtem Zeitaufwand (aufgrund des notwendigen Lösens und Neubefestigens des Ultraschall-Prüfkopfes) und/oder Materialaufwand (Einsatz mehrerer Ultraschallköpfe) untersuchbar.
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Ein weiterer Nachteil der Verfahren aus dem Stand der Technik besteht darin, dass die rückstandsfreie Entfernung des Koppelmittels nach der Messung einen erheblichen Aufwand erfordert. Unter Reinraumbedingungen und unter der Annahme einer erwünschten Weiterverwendung der Probe ist der Einsatz von typischen Koppelmitteln, wie beispielsweise Glycerin oder Silberleitlack, nur sehr eingeschränkt möglich.
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Ausgehend vom Stand der Technik ist es daher die Aufgabe, die bekannten Kopplungseinrichtungen so weiterzubilden, dass insbesondere auch großflächige Proben rasterkraftmikroskopisch mittels akustischer Anregung der Probe mit geringem Zeitaufwand vermessbar sind. Aufgabe ist es darüberhinaus, die bekannten Kopplungseinrichtungen so weiterzuentwickeln, dass die vermessenen Proben uneingeschränkt weiterverwendbar sind. Schließlich ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, entsprechende Verfahren zur Schalleinkopplung zur Verfügung zu stellen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Kopplungseinrichtung gemäß Anspruch 1, ein Rasterkraftmikroskop gemäß Anspruch 12 sowie ein Verfahren zur Schalleinkopplung gemäß Anspruch 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen ergeben sich dabei aus den jeweils abhängigen Ansprüchen. Erfindungsgemäße Verwendungen sind in Anspruch 15 beschrieben.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend zunächst allgemein, dann anhand zweier Ausführungsbeispiele beschrieben. Mehrere einzelne Merkmale oder Elemente der vorliegenden Erfindung, die in der nachfolgenden Beschreibung in Kombination miteinander beschrieben werden, müssen dabei nicht in der gezeigten Kombination miteinander auftreten, sondern können auch unabhängig voneinander im Rahmen der vorliegenden Erfindung, die durch die anhängenden Patentansprüche definiert ist, realisiert werden. Insbesondere können somit einzelne der gezeigten Merkmale im Rahmen der Erfindung auch realisiert werden, ohne auch die anderen in der jeweiligen Kombination beschriebenen Einzelmerkmale realisieren zu müssen.
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Nachfolgend wird nun die erfindungsgemäß realisierte, flexibel verschiebbare Ankopplung von Schallerzeugern (insbesondere: Ultraschall-Prüfköpfen) für Rasterkraftmikroskope, bei denen eine akustische Anregung der Probe erfolgt, beschrieben.
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Eine erfindungsgemäße Kopplungseinrichtung umfasst zunächst einen Schallerzeuger (insbesondere: Ultraschall-Prüfkopf), der zur Einkopplung der mit ihm erzeugten Schallwellen in die Probe ausgebildet ist. Die Kopplungseinrichtung weist darüberhinaus ein Flüssigkeitsreservoir auf, das in seinem Innenraum mit einer zur akustischen Ankopplung verwendeten Flüssigkeit (insbesondere: Wasser) gefüllt ist. Dieses Flüssigkeitsreservoir ist so ausgebildet, dass die zu vermessende Probe auf ihm oder oberhalb desselben lateral verschiebbar gelagert und/oder angeordnet werden kann. Das zur Einkopplung der Schallwellen in den Probenkörper ausgebildete Ende des Schallerzeugers ist dann in dem Innenraum des Flüssigkeitsreservoirs angeordnet, wobei das Flüssigkeitsreservoir und dieses Ende so angeordnet und ausgerichtet sind, dass der zwischen diesem Ende und dem Probenkörper liegende Raumabschnitt des Innenraums des Flüssigkeitsreservoirs vollständig mit der akustischen Kopplungsflüssigkeit gefüllt ist. Durch die entsprechende vollständige Füllung dieses Raumabschnitts wird ein Verschlechtern des Einkoppelns der Schallwellen vom Einkoppelende des Schallerzeugers in den Probenkörper verhindert.
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Alternativ zur Anordnung des vorbeschriebenen Endes des Schallerzeugers im Innenraum des Flüssigkeitsreservoirs kann der Schallerzeuger jedoch auch außerhalb (z. B. unterhalb) des Flüssigkeitsreservoirs angeordnet sein und mit dem Flüssigkeitsreservoir (z. B. mit Hilfe einer Membran) so verbunden sein, dass mit dem besagten Ende des Schallerzeugers die Schallwellen in den Innenraum des Flüssigkeitsreservoirs und darauffolgend in den Probenkörper eingekoppelt werden können.
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Erfindungsgemäß handelt es sich bei dem Flüssigkeitsreservoir um ein nach oben offenes und horizontal abschließendes Flüssigkeitsreservoir, auf dessen oberem Rand oder oberhalb des oberen Randes der Probenkörper dann (horizontal ausgerichtet) angeordnet und/oder gelagert werden kann. Der obere Rand des Reservoirs ist dabei so ausgebildet, dass zwischen ihm und der Unterseite des Probenkörpers ein dünner Flüssigkeitsfilm ausgebildet wird. Dies ist insbesondere dadurch möglich, dass der obere Rand des Flüssigkeitsreservoirs (das in Form einer Wanne oder ähnlichem ausgebildet sein kann) in der Horizontalebene gesehen eine Verbreiterung aufweist: Eine solche Verbreiterung kann beispielsweise ein flaches, ringförmiges Element sein, das auf die Oberkante eines zylinderförmigen Flüssigkeitsbehälters mit demselben Durchmesser aufgesetzt ist und mit dieser Oberkante abdichtend verbunden wird. Auf das ringförmige Element kann dann von oben der Probenkörper verschiebbar so aufgesetzt werden, dass zwischen seiner Unterseite und der oben liegenden Fläche des ringförmigen Elements besagter dünner Flüssigkeitsfilm entsteht.
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Die Ausbildung des Flüssigkeitsfilms zwischen der den Flüssigkeitsbehälter nach oben hin abschließenden Fläche und der Unterseite eines Probenkörpers kann insbesondere dadurch realisiert werden, dass eine Lagerungseinheit vorgesehen ist, die in Richtung der Vertikalen und von unten nach oben gesehen geringfügig über die Oberkante des Flüssigkeitsreservoirs (bzw. dessen oberen Rand) hinausreicht, so dass dieser Höhenunterschied zwischen dem oberen Abschluss der Lagerungseinheit und dem oberen Ende des Flüssigkeitsreservoirs der gewünschten Flüssigkeitsfilmdicke entspricht. Auf dieser Lagerungseinheit wird der Probenkörper dann eben gelagert. Bei einer solchen Lagerungseinheit kann es sich im einfachsten Fall um eine drei oder vier vertikal ausgerichtete, gleich lange, säulenförmige Elemente (Beine) umfassende Lagerungseinheit handeln, auf die der Probenkörper dann befestigt und/oder aufgelegt werden kann. Schallerzeuger und Flüssigkeitsreservoir können dann im Zentrum bzw. zwischen den einzelnen Elementen der Lagerungseinheit so angeordnet werden, dass eine laterale (horizontale) Verschiebung des Schallerzeugers samt Flüssigkeitsreservoirs relativ zum Probenkörper und zur Lagerungseinheit möglich ist.
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Besonders bevorzugt ist die vorbeschriebene räumliche Ausgestaltung der einzelnen Elemente so, dass sich ein Flüssigkeitsfilm mit einer Dicke zwischen 20 und 1000 μm, besonders bevorzugt zwischen 100 und 500 μm ergibt.
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Wie nachfolgend in den Ausführungsbeispielen noch näher beschrieben, kann es sich bei dem Flüssigkeitsreservoir um ein Reservoir handeln, das lediglich das zur Schalleinkopplung ausgebildete Ende (oben liegendes Ende) des Schallerzeugers abdichtend umgibt (Ausbildung des Flüssigkeitsreservoirs als umlaufender, flüssigkeitsgefüllter Graben).
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Alternativ dazu ist es jedoch auch möglich, das Flüssigkeitsreservoir als Behältnis auszubilden, dessen Höhe größer ist als die des gesamten Schallerzeugers, so dass der Schallerzeuger vollständig in ein solches, nach oben offenes Behältnis eingebracht werden kann (die Zwischenräume zwischen der Innenwand dieses Gehäuses und der Außenwand des Schallerzeugers sowie der Bereich zwischen Oberkante des Schallerzeugers und oberem Abschluss des Gehäuses werden dann mit der Flüssigkeit gefüllt).
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Um eine konstante akustische Anregung des Probenkörpers sicherzustellen, kann das Flüssigkeitsreservoir über einen Schlauch mit einem mit der Flüssigkeit gefüllten Ausgleichsbehälter verbunden werden. Am Ausgleichsbehälter kann dann eine Regelvorrichtung so vorgesehen sein, dass der Flüssigkeitspegel und der Druck im Innenraumbereich des Flüssigkeitsreservoirs konstant gehalten wird (dies verhindert z. B. auch eine Luftblasenbildung im Zwischenraumbereich zwischen dem zum Einkoppeln der Schallwellen ausgebildeten Ende des Schallerzeugers und dem zur Einkopplung zur Schallwellen vorgesehenen Flächenabschnitt des Probenkörpers). Alternativ dazu kann der Ausgleichsbehälter jedoch auch einfach so ausgebildet und angeordnet werden (z. B. durch eine Anordnung des Behälters in geeigneter Höhe oberhalb des Flüssigkeitsreservoirs), dass allein durch diese Anordnung und Ausbildung (d. h. ohne Regelvorrichtung) ein ausreichender Druck im Innenraum des Flüssigkeitsreservoirs sichergestellt werden kann.
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Als Kopplungsflüssigkeit kann insbesondere Wasser, bevorzugt Reinstwasser eingesetzt werden.
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Prinzipiell kann jedes Wasser verwendet werden. Es sollte jedoch mindestens kalkfrei sein, um Kalkablagerungen durch Wasserverdunstung zu vermeiden. Für den Einsatz unter Reinraumbedingungen ist insbesondere der Einsatz hochwertigerer Wasser notwendig.
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Die vorliegende Erfindung vermeidet somit die bisherige feste Verbindung zwischen Schallerzeuger und Probenkörper und die damit verbundenen Nachteile. Eine großflächige Probe ist nun bei feststehendem Schallerzeuger bzw. Ultraschall-Prüfkopf beliebig lateral verschiebbar (alternativ dazu kann auch der Ultraschall-Prüfkopf unterhalb der Probe bei feststehender Probe verschoben werden). Beide Teile sind vorteilhafterweise nur noch durch geringe Adhäsionskräfte eines dünnen Wasserfilms (beispielsweise 100 bis 500 um dick) verbunden. Beim Einsatz von Reinstwasser als akustischem Koppelmittel verbleiben nach dem Trocknen keinerlei Rückstände an der Probe. Eine bisher notwendige aufwendige Reinigung der Probe entfällt hierdurch. Ein Einsatz der akustischen Anregung unter Reinraumbedingungen ist damit möglich.
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Der Hauptvorteil der vorliegenden Erfindung liegt somit in der Möglichkeit einer beliebigen lateralen Verschiebung einer großflächigen Probe ohne Veränderung der akustischen Ankopplung. Ein weiterer Vorteil, insbesondere durch Einsatz von Reinstwasser als Kopplungsflüssigkeit, ist der Wegfall eines Reinigungsschrittes nach der Untersuchung der Probe: Bisher war es erforderlich, die eingesetzten akustischen Koppelmittel, wie beispielsweise Glycerin oder Silberleitlack, aufwendig zu entfernen. Ein Einsatz eines Messsystems der Rasterkraftmikroskopie mit akustischer Anregung der Probe unter Reinraumbedingungen ist damit möglich.
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Die vorliegende Erfindung kann insbesondere bei Messungen mit der Rasterkraftmikroskopie mit akustischer Anregung der Probe (z. B. AFAM-Technik) an sehr großflächigen Proben oder an mehreren kleinen Proben, die auf einer Trägerplatte akustisch angekoppelt sind, eingesetzt werden. Beispiele für sehr großflächige Proben (auf denen dann eine große Anzahl von Messstellen vermessen werden soll) sind Siliziumwafer oder Photomasken. Diese Proben können mit erheblicher Reduzierung der Messzeiten vermessen werden. Die Rück- oder Unterseite der zu untersuchenden Proben muss dazu in der Regel eben sein.
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Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand zweier Ausführungsbeispiele beschrieben. Es zeigen hierzu:
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2 eine erste erfindungsgemäße Kopplungseinrichtung für ein Rasterkraftmikroskop mit akustischer Probenanregung.
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3 eine zweite erfindungsgemäße Kopplungseinrichtung.
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2 zeigt in Seitenansicht in der horizontalen Ebene senkrecht zur Vertikalen V einen Querschnitt durch eine erste erfindungsgemäße Kopplungseinrichtung für ein Rasterkraftmikroskop (die Komponenten des Rasterkraftmikroskops selbst sind hier aus Übersichtlichkeitsgründen nicht gezeigt; die gezeigte Probe wird durch den Cantilever des Mikroskops an ihrer Oberseite O abgetastet).
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Auf einer horizontal angeordneten Messplatte 12 des Systems ist eine Halterung 13 für den Ultraschall-Prüfkopf 1 fixiert. Der Ultraschall-Prüfkopf 1 ist in der Halterung 13 ebenfalls fixiert, so dass er relativ zur Halterung 13 und Platte 12 nicht beweglich ist. Der Ultraschall-Prüfkopf 1 besteht hier aus zwei übereinander angeordneten zylinderförmigen Elementen, wobei der oben liegende Deckelflächenbereich des oberen Zylinders als Ende 4 des Schallerzeugers 1 zur Einkopplung von Schallwellen in den Probenkörper P ausgebildet ist.
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Im Bereich dieses oben liegenden Endes 4 des Schallerzeugers 1 ist der Schallerzeuger 1 von einem ringförmigen Abstandsring 3, der (zusammen mit dem nachfolgend noch beschriebenen Element 5) ein Flüssigkeitsreservoir ausbildet, radialsymmetrisch umgeben: Der im Querschnitt L-förmige Abstandsring ist dabei am Außenumfang des oberen Endes 4 des Schallerzeugers abdichtend so angeordnet, dass sich zwischen der Zylinderaußenwand des oberen Endes 4 und dem vertikal angeordneten Wandabschnitt des Flüssigkeitsreservoir-Ringelements 3 ein Zwischenraum mit über den Umfang des Schallerzeugers konstanter Ausdehnung ergibt. Dieser Zwischenraum, nachfolgend auch als Innenraum I bezeichnet, dient dann als Inneres des Flüssigkeitsreservoirs 3, das mit einer Flüssigkeit 2 (hier: Reinstwasser) gefüllt ist. Der horizontal angeordnete Bodenabschnitt des L-förmigen Ringelements 3 ist abdichtend mit der vertikalen Außenwand (Zylindermantelfläche) des oberen Endes 4 des Schallerzeugers 1 verbunden.
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Auf seinem nach oben abschließenden Ende weist der L-förmige Ringabschnitt 3 ein flaches, in der Horizontalen angeordnetes ringförmiges Element 5 auf, das abdichtend mit dem L-förmigen Ringelement des Flüssigkeitsreservoirs 3 verbunden ist. Das (in Bezug auf das Ende 4 und den L-förmigen Abschnitt gesehen) zentrisch aufgesetzte horizontale Ringelement 5 ragt dabei in der Vertikalrichtung V gesehen nach oben geringfügig über die Oberkante des Endes 4 hinaus, so dass sich bei vollständigem Auffüllen des Innenraums I des Flüssigkeitsreservoirs 3 mit Flüssigkeit 2 ein flüssigkeitsgefüllter Raumbereich oberhalb des Endes 4 ergibt.
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Der oben liegende flache Ringabschnitt 5 des Flüssigkeitsreservoirs 3 ist im vorliegenden Fall somit als (in der Horizontalebene gesehen) Verbreiterung 6 der vertikalen Außenwandung des Flüssigkeitsreservoirs 3 ausgebildet. Im vorliegenden Fall ist das Flüssigkeitsreservoir 3 somit ein mit dem Ende 4 des Schallerzeugers 1 abdichtend verbundener, um dieses Ende 4 herum verlaufender Gehäuseabschnitt 8.
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Auf einem konzentrischen Kreis um die Anordnung der Elemente 1 bis 8 herum und beabstandet von dieser Anordnung weist die Kopplungseinrichtung eine Lagerungseinheit 7 auf. Diese besteht hier aus drei einzelnen, in Vertikalrichtung V ausgerichteten, gleich langen säulenförmigen Trageelementen 7a bis 7c (sichtbar sind nur die beiden Elemente 7a und 7b), die auf der Platte 12 aufgestellt sind. Die oberen Enden dieser säulenförmigen Elemente 7 sind als in der Horizontalen liegende Flächen ausgebildet. In der Vertikalen V gesehen liegen diese oberen Endflächen der Säulenbeine 7 geringfügig oberhalb der oben liegenden Oberfläche des flachen Ringelementes 5, so dass sich bei Auflegen des Probenkörpers P auf die Beine 7 und Ausrichtung desselben in der Horizontalen zwischen der Unterseite U des Probenkörpers P und der oben liegenden Oberfläche des flachen Ringabschnitts 5 ein geringer Zwischenraum mit einer Höhe im Bereich zwischen 100 μm und 500 μm ergibt (Abstand der Unterseite U des Probenkörpers P von dem oberen Rand des Flüssigkeitsreservoirs 3). Durch eine Höhenverstellung der Säulenbeine 7 (nicht gezeigt) kann dieser geringfügige Zwischenraum bezüglich seiner Höhe in Vertikalrichtung V genau auf eine gewünschte Wasserfilmdicke eingestellt werden: Das Reservoir 3 (bzw. Ringelement 5) und die Unterseite U der Probe P sind dann nur noch durch geringe Adhäsionskräfte eines zwischen diesen Elementen ausgebildeten dünnen Wasserfilms verbunden, so dass (beispielsweise durch einen geeignet ausgebildeten lateralen Verschiebungsmechanismus für die Säulenbeine 7 bei fest auf diesen angeordneter Probe P, hier nicht gezeigt) die Probe bei feststehendem Prüfkopf 1 lateral leicht verschoben werden kann. Auf diese Weise kann durch laterale Bewegung der Probe P unter Konstanthaltung der akustischen Anregungsbedingungen die Probe P großflächig abgetastet werden. Alternativ dazu ist es jedoch auch möglich, die Säulenbeine 7 und die darauf angeordnete Probe P feststehend auf der Messplatte 12 anzuordnen und die Halterung 13 samt der darauf angeordneten Elemente 1 bis 8 lateral verschiebbar auszubilden.
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Um die akustischen Anregungsbedingungen (bzw. den Druck), den Flüssigkeitsstand im Innenraumbereich I des Flüssigkeitsreservoirs 3 und den Flüssigkeitsfilm zwischen der Unterseite U der Probe und der Oberseite des Ringelements 5 konstant zu halten, ist der Innenraum I des Flüssigkeitsreservoirs 3 über einen Schlauch 10 mit einem Ausgleichsbehälter 11, der ebenfalls mit der Flüssigkeit 2 gefüllt ist, verbunden. Dieser Ausgleichsbehälter 11 ist mit einer Regelvorrichtung versehen (nicht gezeigt), mit der ein Konstanthalten des Drucks und ein konstanter Flüssigkeitsstand im Flüssigkeitsreservoir 3 bzw. Innenraum I bewirkt werden kann.
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Bei lateraler Bewegung der Probe P wird der Ultraschall-Prüfkopf 1 genau unter der Sensorspitze des Rasterkraftmikroskops (nicht gezeigt) fixiert. Im oberen Bereich des Prüfkopfes 1 wird somit ein Adapter 3 befestigt, in dessen Innenraum sich die Kopplungsflüssigkeit 2 befindet. Da durch Verdunsten von Kopplungsflüssigkeit 2 ggf. die Gefahr von Luftblasenbildungen besteht, wird verdunstetes Wasser durch einen dünnen Schlauch 10 aus dem Ausgleichsbehälter 11 ersetzt. Durch die vorbeschriebene Füllstandsregelung im Behälter 11 wird ein konstanter Druck im Reservoir und damit eine konstante akustische Anregung über einen nahezu beliebig langen Zeitraum auch bei Lateralbewegung realisiert.
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Das Schallfeld über dem Ultraschall-Prüfkopf 1 (also zwischen Unterseite U der Probe P und dem oberen Ende 4 des Prüfkopfes 1) ändert sich somit nicht, wenn die Probe P in lateraler Richtung verschoben wird. Die rückseitig glatte Probe P wird hier planparallel zur Messplatte 12 des Messsystems (beispielsweise Granittisch eines AFM-Rasterkraftmikroskops) geführt.
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Die Führung kann konventionell über manuelle oder motorisierte Verschiebung realisiert werden. Die Probe soll in der Regel nur in x-y-Ebene gegenüber der fixierten Kopplungseinrichtung verschoben werden. Die gegebene Planparallelität der Probenunterseite zum Gehäuserand sowie zur aktiven Prüfkopffläche stellt bei der Probenverschiebung eine konstante umlaufende Wasserfilmdicke zwischen Gehäuserand und Probenunterseite sicher. Eine ebene Messplatte ist in der Regel nur bei der manuellen Führung (siehe 1 und 2) erforderlich.
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Um Luftblasenbildung im Inneren des Wasserreservoirs bei sich bewegender Probe P zu vermeiden, ist der obere Rand 5 des Adapters verbreitert 6 ausgebildet.
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Aufgrund von parallelen Grenzflächen im Schallfeld über dem Prüfkopf 1 kann es bei der gegebenen Messanordnung zu einem Resonanzverhalten der Oberflächenschwingung kommen. Dieses wird bei Einkopplung von longitudinalen Schallwellen durch vertikale stehende Wellen in der Wasserschicht und im Probenkörper verursacht. Solche Resonanzüberhöhungen sind sehr schmalbandig und können ohne weiteres durch Variation der Wasserschichtdicke (also der Dicke zwischen Oberkante des Endes 4 und Unterseite U) und/oder der Probendicke in unkritische Frequenzbereiche außerhalb der Messfrequenzen verschoben werden. Eine Variation der Probendicke ist beispielsweise ohne weiteres durch Ankopplung zusätzlicher flacher Zwischenkörper möglich: In einem solchen Fall wird als der in 2 gezeigte Körper P ein solcher Zwischenkörper eingesetzt, auf diesem Zwischenkörper wird dann der eigentlich zu vermessende Probenkörper angeordnet.
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Ebenso ist bei großflächigen dünnen Probenkörpern (z. B. Siliziumwafer mit Durchmesser 300 mm) der Einsatz eines dickeren Zwischenkörpers (z. B. Glasplatte als Körper P) zur Vermeidung von Durchbiegung des eigentlich zu vermessenden Körpers erforderlich. Bei dünnen Proben (z. B. Siliziumwafer mit Durchmesser 300 mm bei einer Dicke von nur 500 μm) ist der Probenkörper P somit ggf. zweiteilig. Es ist oberhalb die eigentliche Probe und unterhalb ein sog. dickerer zusätzlicher Zwischenkörper vertikal angeordnet (nicht in 2 und 3 abgebildet). Beide Teile müssen akustisch gekoppelt sein, beispielsweise mit Wasser. Weiterhin können mehrere kleine Proben auf dem vorstehend genannten Zwischenkörper mittels geeigneter akustischer Ankopplung angeordnet werden.
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In jedem dieser Fälle kann die Ankopplung vorteilhaft mit Reinstwasser realisiert werden.
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Als Ultraschall-Prüfkopf 1 kann ein Kopf vom Typ Panametrics V 106-RM der Fa. Olympus NDT mit einer Mittenfrequenz von 2,25 MHz eingesetzt werden. Ein solcher Prüfkopf besitzt eine vorteilhafte Geometrie mit einem Außendurchmesser von ca. 18 mm, einem Durchmesser der aktiven Fläche von 15 mm (Oberseite des Endes 4) und einer Höhe (in Vertikalrichtung V) von etwa 16 mm. Gerade bei AFAM-Messungen werden häufig solche Schallköpfe mit vergleichbar kompakten Abmessungen eingesetzt. Die Breite des Gehäuserandes 5 (Ringbreite in Horizontalrichtung) zur Realisierung des dünnen Wasserfilms kann beispielsweise auf 5 mm herabgesetzt werden.
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Ein in diesem Ausführungsbeispiel beschriebener Prototyp wurde während langer AFAM-Untersuchungen an Photomasken erfolgreich eingesetzt. Die entsprechenden Messzeiten konnten im Vergleich zum Stand der Technik deutlich verringert werden.
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Die Messzeit verringert sich mindestens um den Faktor 2, da der Ultraschall-Prüfkopf nicht vor jeder Einzelmessung gereinigt und der Ultraschall-Prüfkopf fest lokal angekoppelt werden muss. Der letzte Schritt ist in der Regel sehr aufwendig.
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Eine weitere Variante der vorliegenden Erfindung zeigt 3. Diese Variante ist grundsätzlich wie die in 2 gezeigte Kopplungseinrichtung aufgebaut, so dass nachfolgend nur die Unterschiede beschrieben werden. Die in 3 gezeigte Variante ist insbesondere bei begrenzten Platzverhältnissen am Gehäuserand vorteilhaft: Bei dieser Variante steht der Ultraschall-Prüfkopf 1 vollständig in einem als Wasserbehälter 9 ausgebildeten Flüssigkeitsreservoir 3. Der als einseitig (nach oben) offener Hohlzylinder ausgebildete Gehäusekörper 9 nimmt somit den in die Flüssigkeit 2 getauchten Schallerzeuger 1 vollständig auf bzw. umschließt ihn. Die Unterseite des Gehäusekörpers dient dann zur Befestigung auf der Platte 12, so dass das Element 13 hier entfällt.
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Auch in dieser Variante ist eine automatische Füllstandsregelung für den Ausgleichsbehälter 11 zur Kompensation von Wasserverdunstungen ohne weiteres möglich.
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Die erfindungsgemäße Kopplungseinrichtung kann auch bei einer Ultraschalltechnik, bei der in einen Prüfkörper eingeschallt wird und ein reflektiertes oder transmittiertes Signal empfangen und ausgewertet wird, eingesetzt werden. Hier kann die Kopplungseinrichtung bei Spezialanwendungen, bei der die gesamte Probe nicht mit dem Koppelmittel benetzt (Immersionstechnik) werden kann oder darf, zum Einsatz kommen.
