DE102011005998A1 - Sondeneinrichtung und entsprechendes Herstellungsverfahren - Google Patents

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DE102011005998A1
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Bernd Irmer
Sebastian Schade
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sondeneinrichtung für Rastersondenmikroskope mit einem Balken (2) oder einem Balken (2) mit Sockel (3) und einem vom Balken (2) oder vom Sockel (3) abstehenden länglichen Schaft (4) mit einer ein Messobjekt abtastenden Messspitze am Ende des Schafts (4), wobei die Messspitze über den Schaft (4) übersteht. Die Sondeneinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Messspitze als Scheibe (6) ausgebildet ist, deren Höhe in den überstehenden Bereichen (5) vom Scheibenrand (7) in Radialrichtung zur Scheibenmitte hin über mindestens eine Länge von 5 nm, vorzugsweise mindestens 10 nm, oder über mindestens 20%, vorzugsweise mindestens 40%, des Scheibenradius' nicht mehr als 20%, vorzugsweise nicht mehr als 10%, und besonders bevorzugt nicht mehr als 5%, schwankt. Die Erfindung betrifft gleichfalls ein entsprechendes Verfahren.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Sondeneinrichtung für Rastersondenmikroskope nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Herstellungsverfahren für eine solche Sondeneinrichtung.
  • Mit derartigen Sondeneinrichtungen lassen sich dreidimensionale Oberflächenstrukturen vermessen, woraus beispielsweise Informationen zu Oberflächenrauhigkeit oder Stufenhöhe, beispielsweise von Halbleiterstrukturen, erhalten werden können. Eine solche Sondeneinrichtung ist beispielsweise aus der DE 196 46 120 C2 bekannt, in der eine Sondeneinrichtung mit einem konischen Schaft und einer an dessen Ende angeordneten Senkkopfspitze offenbart ist. Mit einer solchen Ausgestaltung lassen sich Objekte mit senkrechten Seitenflanken vermessen, um so die Breite, Tiefe, Flankenwinkel oder Rauhigkeit der Seitenwände zu bestimmen. Allerdings nutzt sich deren ursprüngliche scharfe Kante aufgrund der Wechselwirkung bzw. Reibung mit den Seitenflanken/-flächen beim Abtasten bzw. Abrastern sukzessive und unvermeidlich ab. Dies hat den Nachteil, dass diese Sondeneinrichtungen mit der Zeit nicht mehr imstande sind, kleinste Seitenwandstrukturen, beispielsweise von Gräben oder Löchern von Halbleiterstrukturen, aufzulösen. Auch neigen Senkkopfspitzen, die aus Silizium hergestellt sind, zu einem vorzeitigen Abrieb.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Sondeneinrichtung zu schaffen, die dauerhaft sensitiv, robust und verschleißarm ist.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Sondeneinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Beim Herstellungsverfahren wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 22 gelöst.
  • Die Vorteile der Erfindung sind insbesondere darin zu sehen, dass die Scheibe der erfindungsgemäßen Sondeneinrichtung auch bei einer Abnutzung eine im Wesentlichen gleich bleibende Höhe zumindest in den das Objekt berührenden Rand- bzw. Kantenbereichen aufweist, so dass die Strukturen der untersuchten Objekte auch nach verhältnismäßig langem Gebrauch weiterhin präzise und hochauflösend aufgenommen werden können. Der nicht zu vermeidende Abrieb wirkt sich also auf die Höhe des Randbereichs (d. h. der Kante) – im Gegensatz zu Senkkopfspitzen – kaum aus, so dass die Randhöhe nahezu konstant bleibt. Mit anderen Worten kann mittels der Erfindung eine nahezu konstante vertikale Kantenhöhe der abtastastenden Abschnitte der Messspitze erreicht werden, wobei die Kantenhöhe auch nach vielen hundert Messungen nahezu unverändert bleibt. Bei mehreren hundert bis einige tausend Messungen während des Lebenszyklus' einer Sondeneinrichtung kann somit im Gegensatz zu den Sondeneinrichtungen des Standes der Technik ein längerer Einsatz bei stets präzisen Messungen gewährleistet werden.
  • Bevorzugt weisen zumindest einige der überstehenden Bereiche eine Länge von mindestens 5 nm auf. Gleichfalls bevorzugt haben überstehende Bereiche eine Länge von bis zu 150 nm. Unterschiedliche überstehende Bereiche können unterschiedliche Längen bzw. Abstände vom Schaft aufweisen.
  • Der Durchmesser des Schafts – gemessen im Bereich des Übergangs zur Scheibe – beträgt vorzugsweise mindestens 2 nm.
  • Vorzugsweise beträgt das Verhältnis von Scheiben- zu Schaftdurchmesser, wobei der Schaftdurchmesser im Bereich des Übergangs zur Scheibe gemessen ist, zwischen 2:1 und 5:1. Hierbei ist unter dem Begriff „Scheibendurchmesser” nicht notwendigerweise nur der Durchmesser einer kreisförmigen Scheibe zu verstehen. Bei einer anderen Geometrie ist hier stattdessen von einem mittleren Scheibendurchmesser auszugehen.
  • Gemäß einer alternativen Verhältnisangabe beträgt das Verhältnis von in Draufsicht betrachteter Scheibenfläche zur Schaftquerschnittsfläche, wobei letztere im Bereich des Übergangs zur Scheibe gemessen ist, zwischen 4:1 und 25:1.
  • Die Scheibe weist vorzugsweise einen Durchmesser im Bereich von 5 nm bis 100 nm auf. Der Durchmesser bestimmt sich insbesondere nach den zu untersuchenden Objekten und hierbei insbesondere nach zu vermessender Geometrie und Material. Gleichfalls besitzt die Scheibe vorzugsweise eine Höhe im Bereich von 1 nm bis 20 nm.
  • Vorteilhafterweise weist die Scheibe in alten überstehenden Bereichen im Wesentlichen die gleiche Höhe auf, wobei hierunter zu verstehen ist, dass eine maximale Schwankung in der Höhe von 20%, vorzugsweise von maximal 10%, bevorzugt maximal 5%, vorhanden ist. Diese Schwankung kann auch als Höhendifferenz oder Höhenvariation bezeichnet werden. Eine solche Scheibe hat also eine im Wesentlichen gleichförmige Höhe, bis auf den Bereich, der mit dem Schaft Kontakt hat. Im günstigsten Fall kann also mit einer solchen Sonde so lange gemessen werden, bis der überstehende Rand der Scheibe abgerieben bzw. abgenutzt ist.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist die Scheibe stufenförmig ausgebildet. Vorzugsweise besteht die Scheibe hierbei aus zwei konzentrischen Scheibenabschnitten, wobei ein innerer Scheibenabschnitt eine größere Hohe hat als ein außen liegender Scheibenabschnitt. Der außen liegende Scheibenabschnitt ist derjenige, dessen Höhenschwankungen entsprechend dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 maximal 20% betragen und zwar auf einer Länge von mindestens 5 nm, vorzugsweise mindestens 10 nm, oder über mindestens 20%, vorzugsweise mindestens 40%, des Scheibenradius.
  • Gemäß einer Alternative weist die Scheibe einen konischen Übergangsbereich zwischen den weiter außen, d. h. randseitig, angeordneten Abschnitten, die eine im Wesentlichen gleiche Höhe besitzen, und dem Schaft auf.
  • Vorzugsweise ist die Scheibe der erfindungsgemäßen Sondeneinrichtung in Draufsicht kreis- oder ellipsenförmig ausgebildet. Mit einer solchen Ausgestaltung kann die Scheibe in alle Richtungen der Scheibenebene verfahren werden, ohne dass auf eine Orientierung der Scheibe um die Längsachse des Schafts Rücksicht genommen werden müsste.
  • Die Oberfläche der Scheibe ist vorzugsweise parallel zur Erstreckung des Balkens ausgerichtet, da auf diese Weise eine Bewegung des Balkens in x-, y- und z-Richtung in eine Bewegung der Scheibe in die gleiche Richtung umgesetzt werden kann.
  • Gemäß einer Alternative ist der Schaft gegenüber dem Balken gekippt angeordnet, vorzugsweise mit einem Kippwinkel α von bis zu 15°. Eine solche Anordnung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Balken (auch Cantilever genannt) geneigt ausgebildet bzw. eingespannt ist. Diese Neigung kann durch die geneigte bzw. gekippte Anordnung des Schafts ausgeglichen werden. Andererseits gibt es Fälle, in denen eine Neigung der Messspitze in Bezug auf das Messobjekt, beispielsweise Gräben oder Löcher von Halbleiterbauelementen, sogar erwünscht ist. Beispielsweise bei der Vermessung der umlaufenden Kante eines solchen Lochs kann ein Aufliegen der Messspitze auf dem Lochboden die Messgenauigkeit beeinträchtigen. Der Boden kann beispielsweise uneben sein und damit die Zugänglichkeit zur besagten Kante des Lochs behindern. Hier ist es von Vorteil, wenn lediglich der Rand der Scheibe mit dem Loch im Bereich der Lochkante in Berührung kommt.
  • Vergleichbare vorteilhafte Effekt werden erzielt, wenn die Scheibe gegenüber dem Schaft gekippt angeordnet ist, vorzugsweise mit einem Kippwinkel β von bis zu 60°.
  • Gemäß einer weiteren alternativen oder zusätzlichen Ausgestaltung ist die Scheibe azentrisch zum Schaft ausgerichtet. Damit kann die Sondeneinrichtung auf die zu vermessenden Geometrien einiger Objekte besser angepasst werden. Insbesondere können mit einer azentrischen Scheibe kleinere bzw. schmälere Gräben von Halbleiterstrukturen vermessen werden, wenn die Länge der überstehenden Bereiche nicht verringert werden soll gegenüber einer zentrisch angeordneten Scheibe.
  • Die letzteren drei Ausgestaltungen, d. h. gekippte Anordnungen von Schaft und/oder Scheibe sowie die Azentrizität, können auch jeweils als eigenständige Erfindungsaspekte, also losgelöst vom Gegenstand der unabhängigen Ansprüche, angesehen werden.
  • Der Schaft der erfindungsgemäßen Sondeneinrichtung ist vorzugsweise zylinderförmig oder konisch zulaufend ausgebildet. Die konkrete Ausgestaltung kann beispielsweise vom Einsatzzweck abhängen. Mit einer konischen, sich zur Scheibe hin verjüngenden Ausbildung kann z. B. ein relativ stabiler Schaft realisiert werden. Der Steigungswinkel gegenüber der Schaftachse ist vorzugsweise kleiner als 30°.
  • Vorzugsweise ist auf dem Schaft und/oder der Scheibe mindestens eine Schicht zur Verringerung der Kraftwechselwirkung mit dem zu untersuchenden Objekt oder zur mechanischen Verstärkung aufgebracht. Eine solche Schicht kann insbesondere verhindern, dass die Scheibe an der abzutastenden Wand anhaftet und einerseits das Messergebnis verfälschen und andererseits eventuell sogar abbrechen kann.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung besteht der Schaft und die Scheibe aus einer Kohlenstoffmatrix. Diese besitzt den Vorteil, dass sie – insbesondere im Vergleich zu Silizium – relativ resistent gegen Abrieb ist.
  • Der Schaft und die Scheibe sind vorzugsweise miteinander verschmolzen und bilden somit eine stabile und bruchresistente Einheit.
  • Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Sondeneinrichtung, insbesondere einer wie zuvor beschriebenen Sondeneinrichtung, werden durch einen Elektronen- oder Ionenstrahl in einer gasförmigen Atmosphäre Atome zur Bildung eines Schafts und danach Atome auf dem Schaft zur Bildung einer den Schaft seitlich überragenden Messspitze abgelagert, wobei die Messspitze mit einem Umfangsrand mit einer Höhe von mindestens 1 nm ausgebildet wird. Die Messspitze ist insbesondere eine wie zuvor beschriebene Scheibe.
  • Die vorgenannte Scheibe weist einerseits am Rand und andererseits in weiter innenliegenden Abschnitten der überstehenden Bereiche, vorzugsweise in allen überstehenden Bereichen, im Wesentlichen die gleiche Höhe auf.
  • Der Schaft und die Scheibe können kontinuierlich in einem durchgehenden Schritt oder in zwei getrennten Schritten hergestellt werden. Im ersten Fall bietet es sich an, dass der Schaft und die Scheibe aus einem Material hergestellt werden, im letzteren Fall aus unterschiedlichen Materialien.
  • Insbesondere ist es bevorzugt, den Schaft und die Scheibe mittels eines EBID-Verfahrens (Electron Beam Induced Deposition) herzustellen.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine Sondeneinrichtung gemäß dem Stand der Technik;
  • 2 eine erfindungsgemäße Sondeneinrichtung mit einem zylinderförmigen Schaft in Seitenansicht;
  • 3 eine erfindungsgemäße Sondeneinrichtung mit einem sich konisch verjüngenden Schaft in Seitenansicht;
  • 4 eine erfindungsgemäße Sondeneinrichtung in Draufsicht mit kreisförmiger Scheibe;
  • 5 eine erfindungsgemäße Sondeneinrichtung in Draufsicht mit elliptischer Scheibe;
  • 6 Schaft und Scheibe einer erfindungsgemäßen Sondeneinrichtung mit einer stufenförmigen Scheibe in Seitenansicht;
  • 7 Schaft und Scheibe einer erfindungsgemäßen Sondeneinrichtung mit einem konischen Übergangsbereich der Scheibe zum Schaft hin;
  • 8 eine erfindungsgemäße Sondeneinrichtung in Seitenansicht mit gekipptem Schaft;
  • 9 eine erfindungsgemäße Sondeneinrichtung in Seitenansicht mit gekippter Scheibe;
  • 10 Schaft und Scheibe einer erfindungsgemäßen Sondeneinrichtung in Seitenansicht mit azentrischer Scheibe;
  • 11 die Sondeneinrichtung der 10 in Draufsicht;
  • 12 Schaft und Scheibe einer erfindungsgemäßen Sondeneinrichtung in Seitenansicht mit einer weiteren Ausführung einer azentrischen Scheibe, und
  • 13 die Sondeneinrichtung gemäß der 12 beim Vermessen einer Graben- oder Lochstruktur eines Messobjekts.
  • In der 1 ist eine Sondeneinrichtung 1' gemäß der DE 196 46 120 C2 gezeigt, die auf einem Balken 2' einen konischen Schaft 4' mit einer Senkkopfspitze 6' in einer Seitenansicht aufweist. Bei einem Abrieb durch andauernde Messungen wird der Rand dieser Senkkopfspitze 6' immer höher bzw. dicker, so dass kleinste Strukturen schon evtl. nicht mehr präzise aufgelöst werden können. Dieser Abrieb ist in der 1 durch gestrichelte Linien angedeutet.
  • Demgegenüber sind in den 213 erfindungsgemäße Sondeneinrichtungen 1 dargestellt, die allesamt eine Scheibe 6 aufweisen, die am Ende eines von einem Balken 2 abstehenden Schafts 4 angeordnet ist, wobei die Scheibe 6 in Bezug auf den Schaft 4 überstehende Bereiche 5 aufweist, die in Radialrichtung der Scheibe 6 eine im Wesentlichen gleiche Höhe aufweisen. Unter dem Begriff „im Wesentlichen gleiche Höhe” soll im vorliegenden Kontext verstanden werden, dass die Höhe der Scheibe 6 in den genannten überstehenden Bereichen 5 vom Scheibenrand 7 in Radialrichtung zur Scheibenmitte hin nicht mehr als 20%, vorzugsweise nicht mehr als 10% und besonders bevorzugt nicht mehr als 5%, schwankt, und zwar über mindestens eine Länge von 5 nm, vorzugsweise über mindestens 10 nm, oder über mindestens 20%, vorzugsweise über mindestens 40%, des Scheibenradius'. Insbesondere kann die Scheibe 6 über ihre gesamte Ausdehnung – abgesehen von dem unmittelbar an den Schaft 4 angrenzenden Bereich – im Wesentlichen die gleiche Höhe (der Begriff „Dicke” wäre auch passend) besitzen.
  • Im Speziellen ist in der 2 eine erfindungsgemäße Sondeneinrichtung 1 mit einem Balken 2 dargestellt, dessen nicht gezeigtes (linkes) Balkenende in eine Messeinrichtung eines bekannten Rastersondenmikroskops eingespannt ist. Für die dem Fachmann bekannten Einzelheiten wird auf die Fachliteratur verwiesen. An dem freien Balkenende ragt ein zylinderförmiger Schaft 4 auf, dessen Längsachse L senkrecht zur Längserstreckung des Balkens 2 verläuft. Am Ende des Schafts 4 ist eine Scheibe 6 vorgesehen, die gemäß dem Ausführungsbeispiel der 2 eine nahezu gleiche Dicke bzw. Höhe aufweist. Lediglich für den atomaren sukzessiven Aufbau der Scheibe 6 weist ihre Unterseite eine minimale konische Form auf. Ansonsten ist die Scheibe 6 aber flach und weist insbesondere am Ende des Herstellungsverfahrens eine Kante bzw. einen Rand 7 auf, der mindestens 1 nm hoch ist. Hiermit wird gewährleistet, dass ein Abrieb der Scheibenkante beim Abtasten von zu vermessenden Objektstrukturen keine wesentlichen Dicken- bzw. Höhenänderungen bewirkt, so dass eine präzise Messauflösung auch nach größerem Abrieb erhalten bleibt. Die Höhe bzw. Dicke der stark durch Abrieb beanspruchten Scheibe 6 ist nahezu unverändert gegenüber ihrem ursprünglichen Zustand. Damit wird eine nahezu konstante vertikale Kantenhöhe der Messspitze über mehrere hundert bis einige tausend Messungen hin realisiert.
  • Die 3 zeigt eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sondeneinrichtung 1. Hierbei ist zusätzlich ein Sockel 3 vorhanden, auf dem der Schaft 4 aufgebracht ist. Ein solcher Sockel 3 kann – wie dargestellt – kegelstumpfartig, aber auch beispielsweise pyramidenförmig sein. Der andere Unterschied dieser Ausführungsform zu derjenigen der 2 besteht darin, das ein konisch sich zur Scheibe 6 hin verjüngender Schaft 4 vorhanden ist. Der Winkel γ zwischen der Längsachse L des Schafts 4 und der konisch verlaufenden Schaftwand beträgt vorzugsweise maximal 30°.
  • Die 4 und 5 stellen eine erfindungsgemäße Sondeneinrichtung 1 in Draufsicht dar, wobei die Scheibe 6 gemäß der 4 eine kreisförmige und die Scheibe 6 gemäß der 5 eine ellipsenförmige Umfangsgeometrie aufweist. Gleichfalls ist in beiden 4 und 5 der Balken 2 zu sehen.
  • In der 6 ist eine stufenförmige Scheibe 6 dargestellt, die vorliegend in Radialrichtung vom Zentrum ausgesehen eine Stufung 8a aufweist. Hier folgt einem innenliegenden kreisförmigen Scheibenbereich ein außenliegender, gleichfalls kreisförmiger Scheibenbereich 5, der im Sinne der vorliegenden Erfindung als „überstehender Bereich” definiert ist. Für den letztgenannten gilt, dass seine Höhe vom Rand in Radialrichtung über mindestens eine Länge von 5 nm (vorzugsweise mindestens 10 nm) oder über mindestens 20% (vorzugsweise mindestens 40%) des Scheibenradius' nicht mehr als 20%, vorzugsweise nicht mehr als 10%, und besonders bevorzugt nicht mehr als 5%, schwankt.
  • Bei der Ausführungsform gemäß der 7 ist ein konischer Übergangsbereich 8b der Scheibe 6 zum Schaft 4 vorgesehen, wobei dieser Übergangsbereich 8b die Stabilität der Schaft-/Scheibenkombination erhöhen kann. Die sich außen an diesen konischen Bereich 8b anschließenden Bereiche 5 entsprechen hinsichtlich ihrer Höhenschwankungen denjenigen der 6.
  • In der 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Sondeneinrichtung 1 mit einem Schaft 4 und einer Scheibe 6 dargestellt, wobei vorliegend die Schaftachse 5 gegenüber einer senkrecht zum Balken 2 verlaufenden Linie A um den Winkel α gekippt ist. Die Scheibe 6 ist hingegen – wie beispielsweise die Ausführungsform gemäß der 2 – im Wesentlichen senkrecht zum Schaft 4 angeordnet.
  • Eine Alternative ist in der 9 dargestellt. Hier ist die Scheibe 6 gegenüber einer senkrecht zur Schaftachse L verlaufenden Linie B um den Winkel β gekippt.
  • Die Ausführungsformen der 8 und 9 sind beispielsweise dazu gedacht, eine Neigung des Balkens (Cantilevers) 2 auszugleichen, welche in manchen Mikroskopen durch die Einspannung des Balkens 2 erzeugt wird. Bei nicht (oder anders) geneigtem Balken 2 kann die resultierende Neigung der Scheibe 6 andererseits ausgenutzt werden, um beispielsweise die Kante zwischen Seitenwand und Boden eines Grabens einer Halbleiterstruktur präzise zu vermessen, ohne dass hierbei die Scheibenoberfläche auf dem eventuell unebenen Boden des Grabens schleift und die Messergebnisse verfälscht. Aufgrund der gegenüber dem Grabenboden geneigten Scheibe 6 kommt also lediglich deren Rand mit dem Graben in Berührung.
  • Mischformen der Ausführungsbeispiele der 8 und 9 sind möglich, also eine Kippung von Schaft 4 zu Balken 2 sowie Scheibe 6 zu Schaft 4.
  • Die 10 und 11 zeigen eine Scheibe 6, die azentrisch auf einem Schaft 4 mit einem Versatz a von einer durch Scheibenmitte verlaufenden Linie MA zur Schaftachse L angeordnet ist. In der 11 ist der Schaft 4 als gestrichelte Linie dargestellt.
  • Die Scheibe 6 gemäß der Ausführungsformen der 12 und 13 ragt nicht überall über den Schaft 4. In der 13 ist eine solche Sondeneinrichtung 1 (mit einem pyramidenförmigen Sockel 3, dessen überdeckte Bereiche gestrichelt angedeutet sind) beim Vermessen eines Objekts mit Wänden 10 dargestellt, beispielsweise einem Graben einer Halbleiterstruktur. Wie zu erkennen ist, ist mit der Scheibe 6 auch dieser schmale Graben vermessbar, was nicht möglich wäre, wenn die Scheibe 6 bei gleicher Länge der überstehenden Bereiche 5 (also mit nahezu doppeltem Scheibendurchmesser) zentrisch auf dem Schaft 4 angeordnet wäre.
  • Mittels der Ausführungsformen der 10 bis 13 lassen sich die Anwendungsmöglichkeiten hinsichtlich der zu vermessenden Objektgeometrien erweitern.
  • Je nach Anwendungsfall weist eine Scheibe 6 vorzugsweise eine Höhe im Bereich von 1 nm bis 20 nm und einen Durchmesser im Bereich von 5 nm bis 100 nm auf. Die Scheibe 6 hat beispielsweise einen Durchmesser im Bereich von 5 nm bis 100 nm. Weiterhin weist die Scheibe 6 eine Höhe von mindestens 1 nm auf. Die Scheibe 6 hat vorzugsweise eine Höhe von bis zu 40 nm, vorzugsweise von bis zu 30 nm, besonders bevorzugt von bis zu 20 nm. Die überstehenden Bereiche 5 können beispielsweise eine Länge von mindestens 5 nm und/oder eine Länge von bis zu 150 nm aufweisen. Der Durchmesser des Schafts 4 im Bereich des Übergangs zur Scheibe 6 kann mindestens 2 nm betragen. Das Verhältnis von Scheiben- zu Schaftdurchmesser, letzterer gemessen im Bereich des Übergangs zur Scheibe 6, liegt beispielsweise zwischen 2:1 und 5:1. Das Verhältnis von in Draufsicht betrachteter Scheibenfläche zur Schaftquerschnittsfläche, letztere gemessen im Bereich des Übergangs zur Scheibe 6, liegt beispielsweise zwischen 4:1 und 25:1.
  • Der Schaft 4 und die Scheibe 6 bestehen vorzugsweise aus einer Matrix aus Kohlenstoff, das eine hohe Abriebfestigkeit besitzt, insbesondere gegenüber einer Matrix aus Silizium. Schaft 4 und Scheibe 6 sowie auch der Sockel 3 können ein integriertes Teil bilden, welche mikromechanisch aus einem Stück Material gefertigt ist. Auch eine Herstellung in getrennten Schritten ist möglich. Mindestens eine auf dem Schaft 4 und/oder der Scheibe 6 aufgebrachte Schicht kann zudem zur Verringerung der Kraftwechselwirkung mit dem zu untersuchenden Objekt oder zur mechanischen Verstärkung dienen.
  • Abwandlungen der Erfindung sind im Rahmen der Ansprüche ohne Weiteres möglich. Beispielsweise muss die Kante bzw. der Rand 7 der Scheibe 6 nicht glatt und/oder senkrecht verlaufen. Die Stirnfläche des Randes 7 kann beispielsweise auch spitz und/oder rau ausgebildet sein, was auf die Herstellungsbedingungen zurückzuführen sein kann. Nach einigen wenigen Messungen ist eine spitze Stirnfläche jedoch abgerieben, so dass sich wiederum der Vorteil der nahezu konstanten vertikalen Kantenhöhe ergibt.
  • Bezugszeichenliste
  • 1
    Sondeneinrichtung
    2
    Balken
    3
    Sockel
    4
    Schaft
    5
    überstehende Bereiche
    6
    Scheibe
    7
    Rand
    8a, b
    Übergangsbereiche
    9
    Wand eines Messobjekts
    L
    Schaftachse
    M
    Achse durch Scheibenmitte
    α
    Kippwinkel
    β
    Kippwinkel
    γ
    Winkel zwischen der Schaftachse L und der Schaftwand
    a
    Abstand Schaftachse-Scheibenmitte
    A
    Senkrechte auf Balken 2
    B
    Senkrechte zur Schaftachse L
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 19646120 C2 [0002, 0043]

Claims (25)

  1. Sondeneinrichtung für Rastersondenmikroskope mit einem Balken (2) oder einem Balken (2) mit Sockel (3) und einem vom Balken (2) oder vom Sockel (3) abstehenden länglichen Schaft (4) mit einer ein Messobjekt abtastenden Messspitze am Ende des Schafts (4), wobei die Messspitze über den Schaft (4) übersteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Messspitze als Scheibe (6) ausgebildet ist, deren Höhe in den überstehenden Bereichen (5) vom Scheibenrand (7) in Radialrichtung zur Scheibenmitte hin über mindestens eine Länge von 5 nm, vorzugsweise mindestens 10 nm, oder über mindestens 20%, vorzugsweise mindestens 40%, des Scheibenradius' nicht mehr als 20%, vorzugsweise nicht mehr als 10%, und besonders bevorzugt nicht mehr als 5%, schwankt.
  2. Sondeneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die überstehenden Bereiche (5) eine Länge von mindestens 5 nm aufweisen.
  3. Sondeneinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die überstehenden Bereiche (5) eine Länge von bis zu 150 nm aufweisen.
  4. Sondeneinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Schafts (4) im Bereich des Übergangs zur Scheibe (6) mindestens 2 nm beträgt.
  5. Sondeneinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Scheiben- zu Schaftdurchmesser, letzterer gemessen im Bereich des Übergangs zur Scheibe (6), zwischen 2:1 und 5:1 liegt.
  6. Sondeneinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von in Draufsicht betrachteter Scheibenfläche zur Schaftquerschnittsfläche, letztere gemessen im Bereich des Übergangs zur Scheibe (6), zwischen 4:1 und 25:1 liegt.
  7. Sondeneinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe (6) in den überstehenden Bereichen (5) im Wesentlichen die gleiche Höhe mit einer maximalen Schwankung in Bezug auf diese Höhe von 20%, vorzugsweise von maximal 10%, besonders bevorzugt von maximal 5%, aufweist.
  8. Sondeneinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe (6) einen Durchmesser im Bereich von 5 nm bis 100 nm hat.
  9. Sondeneinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe (6) eine Höhe von mindestens 1 nm hat.
  10. Sondeneinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe (6) eine Höhe von bis zu 40 nm, vorzugsweise von bis zu 20 nm, besonders bevorzugt von bis zu 10 nm, hat.
  11. Sondeneinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe (6) stufenförmig ausgebildet ist.
  12. Sondeneinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe (6) einen konischen Übergangsbereich (8b) zum Schaft (4) hin aufweist, an den sich nach außen hin die überstehenden Scheibenbereiche (5) mit im Wesentlichen gleicher Höhe anschließen, vorzugsweise mit einer maximalen Schwankung bzgl. der Höhe von 20%, vorzugsweise von maximal 10%, besonders bevorzugt von maximal 5%.
  13. Sondeneinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe (6) in Draufsicht gesehen kreis- oder ellipsenförmig ist.
  14. Sondeneinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft (4) gegenüber dem Balken (2) gekippt ist, vorzugsweise mit einem Kippwinkel (α) von bis zu 15°.
  15. Sondeneinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe (6) gegenüber dem Schaft (4) gekippt ist, vorzugsweise mit einem Kippwinkel (β) von bis zu 60°.
  16. Sondeneinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe (6) azentrisch zum Schaft (4) ausgerichtet ist.
  17. Sondeneinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft (4) zylinderförmig oder konisch zulaufend, vorzugsweise unter Bildung eines Winkels (γ) kleiner als 30° gegenüber der Schaftachse (L), ausgebildet ist.
  18. Sondeneinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Schaft (4) und/oder der Scheibe (6) mindestens eine Schicht zur Verringerung der Kraftwechselwirkung mit dem zu untersuchenden Objekt oder zur mechanischen Verstärkung aufgebracht ist.
  19. Sondeneinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft (4) und die Scheibe (6) aus einer Kohlenstoffmatrix bestehen.
  20. Sondeneinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft (4) und die Scheibe (6) verschmolzen sind.
  21. Sondeneinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Balken (2) ein Sockel (3), beispielsweise eine Pyramide oder ein Kegelstumpf, angeordnet ist, auf dem der Schaft (4) angeordnet ist.
  22. Verfahren zur Herstellung einer Sondeneinrichtung (1), insbesondere einer Sondeneinrichtung nach den vorhergehenden Ansprüchen, umfassend einen Balken (2) oder einen Balken (2) mit Sockel (3), einem vom Balken (2) oder vom Sockel (3) abstehenden Schaft (4) mit einer Messspitze, die über den Schaft (4) übersteht, wobei durch Elektronen- oder Ionenstrahl in einer gasförmigen Atmosphäre der Schaft (4) durch Ablagerung von Atomen ausgebildet wird, wobei in einem weiteren Schritt durch Elektronen- oder Ionenstrahl die Messspitze mit einem Umfangsrand mit einer Höhe von mindestens 1 nm ausgebildet wird, insbesondere als Scheibe (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  23. Verfahren nach dem vorhergehenden Verfahrensanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft (4) und die Scheibe (6) kontinuierlich in einem durchgehenden Herstellungsschritt oder diskontinuierlich in zwei getrennten Schritten hergestellt werden.
  24. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft (4) und die Scheibe (6) aus einem oder aus unterschiedlichen Materialien hergestellt werden.
  25. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft (4) und die Scheibe (6) mittels eines EBID-Verfahrens (Electron Beam Induced Deposition) hergestellt werden.
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