DE102016214658A1

DE102016214658A1 - Rastersondenmikroskop und Verfahren zum Untersuchen einer Probenoberfläche

Info

Publication number: DE102016214658A1
Application number: DE102016214658.0A
Authority: DE
Inventors: Christof Baur; Klaus Edinger; Gabriel Baralia
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2016-08-08
Filing date: 2016-08-08
Publication date: 2018-02-08
Anticipated expiration: 2036-08-09
Also published as: TWI656347B; TW201809676A; WO2018029151A1; DE102016214658B4

Abstract

Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Rastersondenmikroskop (1200) zum Untersuchen einer Probenoberfläche (150), das aufweist: (a) zumindest erste Messsonde (330) mit einem ersten Befestigungsbereich (305) und zumindest einen ersten Cantilever (310, 810, 1710, 1910), an dem zumindest eine erste Messspitze (320) angeordnet ist; (b) wobei der zumindest eine erste Cantilever (310, 810, 1710, 1910) ausgebildet ist, um vor Beginn eines Scan-Vorgangs an einem freien Ende (350) des zumindest einen ersten Cantilevers (310, 810, 1919) eine einstellbare Biegung anzunehmen, welche eine Kippung des ersten Befestigungsbereichs (305) und/oder eine Vorbiegung des zumindest einen ersten Cantilevers (310, 810, 1710, 1910) zumindest teilweise zu kompensiert oder verstärkt; und (c) zumindest eine optische Messeinrichtung (1300), die ausgebildet ist, um die einstellbare Biegung zu bestimmen.

Description

1. Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Rastersondenmikroskop und ein Verfahren zum Untersuchen einer Probenoberfläche.
2. Stand der Technik
Rastersondenmikroskope tasten mit einer Messsonde eine Probe bzw. deren Oberfläche ab und liefern damit Messdaten zum Erzeugen einer Darstellung der Topographie der Probenoberfläche. Im Folgenden werden Rastersondenmikroskope durch SPM – Englisch für Scanning Probe Microscope – abgekürzt. Je nach Art der Wechselwirkung zwischen der Messspitze einer Sonde und der Probenoberfläche werden verschiedene SPM Typen unterschieden. Häufig werden Rastertunnelmikroskope (STM, Scanning Tuneling Microscope) eingesetzt, bei denen zwischen der Probe und der Messspitze, die einander nicht berühren, eine Spannung angelegt wird und der resultierende Tunnelstrom gemessen wird.
Beim Rasterkraftmikroskop (AFM für Atomic Force Microscope oder SFM für Scanning Force Microscope) wird die Messspitze durch atomare Kräfte der Probenoberfläche, typischerweise attraktive Van-der-Waals-Kräfte und/oder repulsive Kräfte der Austauschwechselwirkung, ausgelenkt. Die Auslenkung der Messspitze ist proportional zu der zwischen der Messspitze und der Probenoberfläche wirkenden Kraft und diese Kraft wird zum Bestimmen der Oberflächentopographie verwendet.
Neben diesen gängigen SPM Typen gibt es eine Vielzahl weiterer Gerätetypen, die für spezielle Anwendungsgebiete eingesetzt werden, wie beispielsweise Magnetkraftmikroskope oder optische und akustische Rasternahfeldmikroskope.
Rastersondenmikroskope können in verschiedenen Betriebsarten eingesetzt werden. Im Kontaktmodus wird die Messspitze auf die Probenoberfläche aufgesetzt und in diesem Zustand über die Probenoberfläche gescannt. Dabei kann der Abstand des SPM-Kopfes über der Probe konstant gehalten werden und die Auslenkung des Cantilevers oder des Federbalkens, der die Messspitze trägt, wird gemessen und zum Abbilden der Oberfläche benutzt. Es ist auch möglich, die Auslenkung des Cantilevers in einer geschlossenen Regelschleife konstant zu halten, und den Abstand des SPM der Kontur der Probenoberfläche nachzuführen.
In einer zweiten Betriebsart, dem Nicht-Kontakt-Modus, wird die Messspitze in einen definierten Abstand von der Probenoberfläche gebracht und der Cantilever wird zu einer Schwingung angeregt, typischerweise bei oder in der Nähe der Resonanzfrequenz des Cantilevers. Sodann wird die Messsonde über die Oberfläche der Probe gescannt. Da bei dieser Betriebsart die Messspitze nicht in Kontakt mit der Probe kommt, ist deren Abnutzung gering.
In einer dritten Betriebsart, dem intermittierenden Modus (oder tapping mode^TM), wird der Cantilever ebenfalls in eine erzwungene Schwingung versetzt, aber der Abstand zwischen dem SPM und der Probenoberfläche wird so gewählt, dass die Messspitze die Probenoberfläche während eines geringen Teils einer Schwingungsperiode erreicht. Aus der durch die Wechselwirkung der Messsonde mit der Probenoberfläche hervorgerufenen Änderung der Frequenz, der Amplitude oder der Phase der erzwungenen Schwingung wird die Kontur der Oberfläche der Probe abgeleitet.
In einer vierten Betriebsart, dem Schritt-Betriebsmodus (step-in mode) werden die Bewegungen senkrecht zur Probenoberfläche und parallel zur Probenoberfläche sequentiell ausgeführt. Dazu wird die Messspitze der Messsonde auf die Probenoberfläche abgesenkt und gleichzeitig wird die Wechselwirkung zwischen der Probenoberfläche und der Messspitze gemessen. Anschließend wird die Messspitze wieder in ihre Ausgangsposition gebracht. Sodann wird die Messspitze um einen definierten Abschnitt parallel zur Probenoberfläche verschoben und der Analyseprozess wird mit einem weiteren Absenkprozess fortgesetzt.
Die Autoren A. Pasupuleti et al. beschreiben in der Veröffentlichung „Predicting the mechanical behaviour of self-deformed micromachined cantilevers", 6 th Int. Conf. on Thermal, Mechanical and Multiphysics Simulation and Experiments in Micro-Electronics and Micro-Systems, S. 254–258 (2005), das Verhalten eines Cantilevers auf Basis von empirischer Modellierung des Cantilevers.
In dem Artikel „Scanning attractive force microscope using photothermal vibration" in J. Vac. Sci. Technol. B 9 (2), Mar/Apr 1991, S. 1318–1322, beschreiben die Autoren N. Umeda, S. Ishizaki und H. Uwai das Anregen der Schwingung eines Cantilevers mit Hilfe eines gepulsten Laserstrahls und das Detektieren der Schwingung des Cantilevers mit einem Lichtzeigersystem.
In der US Patentschrift mit der Nr. US 6 718 764 B1 wird das definierte Verbiegen eines Micro-Aktuators durch Erzeugen einer definierten permanenten Vorspannung beschrieben.
Die Autoren B. Rogers, L. Manning, T. Sulchek und J. D. Adams beschreiben in dem Artikel „Improving tapping mode atomic force microscopy with piezoelectric cantilevers", Ultramicroscopy, 100, S. 267–276 (2004), den Einsatz eines piezoelektrischen Cantilevers in einem intermittierenden Betriebsmodus eines Atomkraftmikroskops.
Tzvetan Ivanov beschreibt in seiner Doktorarbeit „Piezoresistive Cantilever mit einem integrierten Aktuator", Physik-Department der Universität Kassel (2004) die Entwicklung von Cantilevern mit integrierten auf dem Bimorph-Effekt basierenden Aktuatoren und integrierten piezoresistiven Kraft-Gradienten-Sensoren.
Im Artikel „Retrofitting an atomic force microscope with photothermal excitation for a clean cantilever response in low Q environments", Rev. of Scien. Instrum. 83, 053703-1–053703-8 (2012) beschreiben die Autoren A. Labuda et al. das photothermische Anregen eines Cantilevers mittels eines spannungsinduzierten Biegens des Cantilevers.
In der Publikation „Controllable cantilever predeflection for arrays of scanning proximal probes", MNE 2007, präsentieren die Autoren Y. Sarow, Trv. Ivanov, A. Frank, B. E. Volland und I. W. Rangelow Simulationsergebnisse der Vorbiegung von selbssteuernden piezoresistiven Cantilevern.
In dem Artikel „Basic principles of self-actuated piezoresistive SPM cantilevers" in PRONANO Proceedings of the integrated project on massively parallel intelligent cantilever probe platforms for nanoscale analysis and synthesis, MV-Wissenschaft, Sept. 2010, ISBN 978-3-86991-177-9, S. 89–99 beschreiben die Autoren I. W. Rangelow et al. eine Sondenanordnung oder ein zweidimensionales Sondenarray, in dem jeder Cantilever jeder Sonde einen integrierten thermischen Aktuator aufweist, der den Cantilever in eine erzwungene Schwingung versetzen kann. Zudem kann der thermische Aktuator durch Anlegen einer Gleichspannung den Cantilever zur Probenoberfläche hin auslenken. Diese Funktion erleichtert das Annähern der einzelnen Cantilever der Sondenanordungung als Vorbereitung eines Scan-Vorgangs des Rastersondenmikroskops.
Bei allen gängigen SPM Typen ist es ein zeitaufwändiger Prozess eine Messspitze einer Messsonde in definierter Weise für einen Scan-Vorgang an eine zu scannende Probenoberfläche anzunähern. Da die Messspitze in einer Arbeitsposition typischerweise eine Höhe im zwei- oder dreistelligen Nanometerbereich aufweist, muss beim Annähern der Messspitze auf die Oberfläche zwingend darauf geachtet werden, dass tatsächlich die Messspitze den geringsten Abstand zur Probe aufweist und nicht der Cantilever oder dessen Befestigungsplatte anstelle der Messspitze auf der Probe aufsetzt und diese ggf. beschädigt oder gar zerstört. Zu diesem Zweck ist typischerweise die Halterung, die die Befestigungsplatte der Messsonde trägt, um einen bestimmten Winkel aus der Horizontalen verkippt. Diese Kippung der Messsonde führt dazu, dass die Messspitze der Messsonde nicht senkrecht auf der Probenoberfläche aufsetzt. Darüber hinaus kann ein Cantilever entlang seiner Längsrichtung nicht gerade sein, sondern eine Krümmung aufweisen. In einer der oben beschriebenen Betriebsarten, in denen der Cantilever der Messsonde eine Schwingung ausführt, beschreibt die Messspitze deshalb eine gekrümmte Trajektorie bezüglich einer zu untersuchenden Probenoberfläche. Dadurch wird die Auflösung eines Rastersondenmikroskops insbesondere beim Scannen von steilen Flanken oder von Probenbereichen mit einem großen Aspektverhältnis verringert.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher das Problem zu Grunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, mit deren Hilfe die oben beschriebene Problematik zumindest zum Teil vermieden werden kann.
3. Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird dieses Problem durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. In einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung ein Rastersondenmikroskop zum Untersuchen einer Probenoberfläche, das aufweist: (a) zumindest eine erste Messsonde mit einem ersten Befestigungsbereich und zumindest einem Cantilever, an dem zumindest eine erste Messspitze angeordnet ist; (b) wobei der zumindest eine erste Cantilever ausgebildet ist, um vor Beginn eines Scan-Vorgangs an einem freien Ende des zumindest einen ersten Cantilevers eine einstellbare Biegung anzunehmen, welche eine Kippung des zumindest einen Befestigungsbereichs und/oder eine Vorbiegung des zumindest einen ersten Cantilevers zumindest teilweise kompensiert oder verstärkt; und (c) zumindest eine optische Messeinrichtung, die ausgebildet ist, um die einstellbare Biegung zu bestimmen.
Der Begriff „Kippung” bedeutet in dieser Anmeldung eine Drehung um eine in horizontaler Richtung verlaufende Querachse einer Messsonde. Eine Probenoberfläche ist in der vorliegenden Anmeldung in einer horizontalen Ebene angeordnet.
Der Begriff „einstellbar” bedeutet in dieser Anmeldung einerseits eine temporäre variable Biegung des freien Endes eines Cantilevers, die durch eine Einwirkung von außen hervorgerufen wird. Andererseits bedeutet dieser Begriff eine permanente Biegung des freien Endes eines Cantilevers, die eine Kippung des Befestigungsbereichs einer Messsonde im Wesentlichen kompensiert.
Die einstellbare Biegung kann von der Probenoberfläche weg erfolgen, sodass vor Beginn des Scan-Vorgangs das freie Ende des zumindest einen ersten Cantilevers im Wesentlichen parallel zu der zu scannenden Probenoberfläche ausgerichtet ist.
Der Ausdruck „im Wesentlichen” bedeutet hier wie an anderen Stellen dieser Anmeldung eine Angabe einer Messgröße innerhalb ihrer Fehlertoleranzen, wenn die Messgröße mit Messgeräten gemäß dem Stand der Technik gemessen wird.
Vorzugsweise weist eine Halterung eines Rastersondenmikroskop-Messkopfes, an der der Befestigungsbereich einer Messsonde an dem SPM-Messkopf befestigt ist, eine Neigung gegenüber der Horizontalen oder der Probenoberfläche auf, die den Cantilever des Rastersondenmikroskops gegenüber der Probenoberfläche so kippt, dass die Messspitze als erster Teil der Messsonde in Kontakt mit der Probenoberfläche kommt und nicht der Cantilever oder gar der Befestigungsbereich der Messsonde. Eine Beschädigung des Rastersondenmikroskops und/oder der zu untersuchenden Probe kann dadurch verhindert werden. Aufgrund dieser Vorsichtsmaßnahme kann die Messsonde des Rastersondenmikroskops zügig in eine Arbeitsposition für einen Scan-Vorgang gebracht werden, wodurch die Effizienz dieses Analysegeräts gesteigert wird.
Das einstellbare Biegen des freien Endes des Cantilevers, an dem die Messspitze angebracht ist, vorzugsweise nach dem Annähern der Messsonde des SPM an die zu scannende oder zu untersuchende Probenoberfläche aber vor Beginn des Ausführens eines Scan-Vorgangs weg von der Probenoberfläche ermöglicht ein nahezu senkrechtes in Kontakttreten der Messspitze der Messsonde mit der Probenoberfläche während der Ausführung eines Scan-Vorgangs. Dadurch werden die Abbildungsfehler der Messsonde und damit des Rastersondenmikroskops beim Abtasten der zu untersuchenden Probenoberfläche minimiert. Dies trifft insbesondere auf Proben zu, deren Oberfläche steile Flanken aufweisen und/oder deren Oberflächentopographie ein großes Aspektverhältnis aufweist. Ob der Cantilever tatsächlich die gewünschte Biegung aufweist, wird sichergestellt, indem vor dem Ausführen eines Scan-Vorgangs des SPM gemessen wird, ob der Cantilever bzw. dessen freies Ende tatsächlich die gewünschte Biegung angenommen hat. Dadurch weist die Messspitze vor Beginn einer Messung eine eindeutige Orientierung bezüglich der Probenoberfläche auf, wodurch zum einen die Auflösung des SPM optimiert wird und zum anderen die Interpretation der Messdaten erleichtert wird. Ein erfindungsgemäßes Rastersondenmikroskop ermöglicht damit auch Proben, die ein großes Aspektverhältnis aufweisen, mit großem Auflösungsvermögen abzutasten.
Es ist günstig, wenn die Messsonde möglichst senkrecht über die zu untersuchende Probenoberfläche geführt wird bzw. in einem oszillierenden Betriebsmodus möglichst senkrecht zu der zu scannenden Probenoberfläche schwingt. Die Auflösung des Rastersondenmikroskops wird dadurch maximiert. Insbesondere werden dadurch die Ecken und Kanten von Strukturelementen auf der Oberfläche der Probe bestmöglich detektiert.
Da die Einstellung und die Kontrolle der Biegung eines Cantilevers vor einem eigentlichen Scan-Vorgang stattfinden, kann ein erfindungsgemäßes Rastersondenmikroskop in allen gängigen Betriebsarten arbeiten.
Die einstellbare Biegung des freien Endes des zumindest einen ersten Cantilevers kann zur scannenden Probenoberfläche hin erfolgen.
Das freie Ende des Cantilevers ist das Ende des Cantilevers, das dem Ende des Cantilevers gegenüberliegt, an dem der Cantilever den Befestigungsbereich der Messsonde aufweist.
Zum Abtasten steiler Flanken kann es günstig sein, den Cantilever so zu biegen, dass die Messspitze auch beim Rastern sich den steilen Flanken mit einem großen Winkel nähert. Durch diese Biegung des Cantilevers kann die Messspitze bestimmte steile Flanken oder Seitenwände unter einem großen Winkel (idealerweise unter einem Winkel von bis zu 90°) abtasten. Zudem können mittels einer vergrößerten Biegung des Cantilevers bestimmte Kanten und/oder Ecken zwischen einer steilen Flanke und der Probenoberfläche mit größerer Auflösung analysiert werden. Insgesamt ermöglicht das einstellbare Biegen des Cantilevers eines Rastersondenmikroskops das Minimieren nur unsicher oder nicht zu detektierender Bereiche einer Probenoberfläche.
Die einstellbare Biegung des zumindest einen ersten Cantilevers kann einen Nulldurchgang für eine Schwingung des zumindest einen ersten Cantilevers während eines Scan-Vorgangs festlegen.
Durch das Einstellen der einstellbaren Biegung eines Cantilevers auf diese Weise wird sichergestellt, dass sich die Messspitze der zu scannenden Probenoberfläche im Wesentlichen unter einem senkrechten Winkel nähert.
Die zumindest eine Halterung eines Rastersondenmikroskop-Messkopfes kann ausgebildet sein, eine Neigung gegenüber einer Horizontalen von 0,5° bis 45°, bevorzugt 1,0° bis 40°, mehr bevorzugt 1,5° bis 30°, und am meisten bevorzugt 2,0° bis 20° aufzuweisen.
Die einstellbare Biegung des zumindest einen ersten Cantilevers kann als dauerhafte Biegung ausgeführt sein.
In diesem Ausführungsbeispiel wird der Cantilever einer Messsonde beim Herstellen so gebogen, dass dessen Messspitze nach dem Montieren des Befestigungsbereichs der Messsonde an eine geneigte Halterung im Wesentlichen senkrecht zur Probenoberfläche weist. Dies bedeutet, die Messsonde wird spezifisch für die Neigung der Halterung des SPM-Messkopfes hergestellt. Vor Beginn eines Scan-Vorgangs wird die Orientierung des freien Endes des Cantilevers und damit die Orientierung der Messspitze gemessen und bei Bedarf korrigiert.
Der zumindest eine erste Cantilever kann zumindest zwei miteinander verbundene Materialschichten aufweisen, deren thermische Ausdehnungskoeffizienten unterschiedlich sind und die zueinander permanent vorgespannt sind.
Eine Vorspannung der beiden Schichten zueinander kann auf mehrere Arten erzeugt werden. So kann die zweite Schicht bei einer erhöhten Temperatur auf den gesamten oder Teile des Cantilevers aufgebracht werden. Nach dem Abkühlen sind die beiden Schichten gegeneinander verspannt und der Cantilever weist eine Biegung entlang seiner Längsachse auf. Beispielsweise ist es aber auch möglich, den Cantilever aus zwei oder mehr Materialien herzustellen, deren thermische Ausdehnungskoeffizienten unterschiedlich sind und anschließend auf eine Temperatur oberhalb der Fließgrenze eines der beiden Materialien zu erhitzen, wodurch die beiden Schichten nach deren Abkühlung eine permanente Vorspannung zueinander ausbilden.
Der zumindest eine erste Cantilever kann zumindest einen ersten Aktuator umfassen. Der zumindest eine erste Aktuator kann in den zumindest einen ersten Cantilever integriert sein. Ferner kann der zumindest eine erste Aktuator in einem Teilbereich des zumindest einen ersten Cantilevers angeordnet sein. Bevorzugt ist der zumindest eine erste Aktuator in der Nähe des freien Endes des zumindest einen ersten Cantilevers angeordnet.
Ein an den Cantilever angebrachter oder integrierter erster Aktuator weist den Vorteil auf, dass die einstellbare Biegung des Cantilevers mit Hilfe eines Steuersignals in definierter Weise eingestellt werden kann. Dadurch können verschiedene Kippwinkel der Halterung des SPM-Messkopfes und/oder verschiedene Vorbiegungen des Cantilevers kompensiert bzw. korrigiert werden. Die optische Messeinrichtung stellt fest, ob die zum jeweiligen Kippwinkel der Befestigungsvorrichtung passende Biegung des Cantilevers tatsächlich eingestellt ist. Ferner kann mittels der optischen Messeinrichtung ermittelt werden, ob das freie Ende des Cantilevers vor Beginn eines Scan-Vorgangs tatsächlich eine Biegung angenommen hat, die die Vorbiegung des Cantilevers im Wesentlichen kompensiert.
Der erste Aktuator kann ferner ausgebildet sein, den Cantilever mit einer konstanten Auslenkung über die zu untersuchende Probenoberfläche zu rastern. Zudem kann der erste Aktuator ausgebildet sein, den Cantilever zu einer Schwingung bei einer vorgegebenen Frequenz anzuregen.
Der erste Aktuator kann einen multimorphen Aktuator und/oder einen piezoelektrischen Aktuator umfassen. Der multimorphe Aktuator kann einen bimorphen Aktuator umfassen. Der bimorphe Aktuator kann ein Bimetall-Element umfassen.
Ein bimorpher Aktuator kann durch ein optisches und/oder ein elektrisches Signal aktiviert werden. Ferner kann ein bimorpher Aktuator mittels eines Elektronenstrahls aktiviert werden.
Der Einsatz eines piezoelektrischen Aktuators als Biegeelement eines Cantilevers weist den Vorteil auf, dass der Piezo-Aktuator schnell auf ein Steuersignal reagiert. Damit kann das freie Ende des Cantilevers und damit die Messsonde dynamisch von der Probenoberfläche weg und zur Probenoberfläche hin ausgelenkt oder gebogen werden und somit an die Struktur der abzutastenden Probenoberfläche adaptiert werden kann.
Das Rastersondenmikroskop kann ferner ein Lasersystem aufweisen, das ausgebildet ist, beim Anlegen des Steuersignals an das Lasersystem, den zumindest einen ersten Aktuator zum einstellbaren Biegen des zumindest einen ersten Cantilevers zu veranlassen.
Ein Laserstrahl kann auf einen kleinen Brennfleck fokussiert werden. Zudem kann sein Auftreffpunkt auf den Aktuator präzise justiert werden. Damit kann mit Hilfe eines Laserstrahls ein Teil des Materialsystems des Cantilevers selektiv erwärmt werden. Dadurch ist ein Laserstrahl in der Lage, eine definierte Temperaturänderung in dem Aktuator herbeizuführen. Somit ist ein Laserstrahl sehr gut geeignet, durch eine einstellbare Biegung des Cantilevers entlang seiner Längsachse diesen schnell und gezielt an die zu untersuchende Topographie einer Probenoberfläche anzupassen.
Ferner kann eine Modulation der Erwärmung verwendet werden, um den Cantilever und damit die Messspitze einer Messsonde zu einer Vibration anzuregen.
Der zumindest eine erste Cantilever kann eine Heizvorrichtung aufweisen, die ausgebildet ist, beim Anlegen eines Steuersignals den bimorphen Aktuator lokal zu erwärmen. Ferner kann der zumindest eine erste Cantilever zumindest einen Heizwiderstand aufweisen, der ausgebildet ist, um beim Anlegen eines Steuersignals eine Schicht des bimorphen Aktuators lokal zu erwärmen.
Eine lokalisierte Heizvorrichtung, beispielsweise in Form eines Heizwiderstands, kann einen Teil des bimorphen Aktuators selektiv erwärmen und damit das freie Ende um einen einstellbaren Winkel biegen, so dass das freie Ende des Cantilevers eine vorgegebene Orientierung aufweist.
Zumindest eine der zumindest zwei miteinander verbundenen Materialschichten kann in einem Teilbereich einen Heizwiderstand in Form implantierten Materials umfassen. Der Heizwiderstand kann durch Dotieren eines Teils des Cantilevers erfolgen. Die Dotieratome können durch Implantieren oder Diffusion in den Cantilever eingebracht werden. Ferner ist es möglich, einen Heizwiderstand durch Aufbringen eines Metallstreifens mittels Aufdampfen oder Sputtern herzustellen.
Indem der aufgebrachte Metallstreifen zwei Funktionen übernimmt, weist ein Cantilever mit aufgebrachtem metallischem Heizwiderstand keine komplexe Struktur auf und kann dadurch kostengünstig hergestellt werden. Die beiden Funktionen sind zum einen Teil einer bimorphen Struktur zu sein und zum anderen als elektrischer Widerstand zum Erzeugen einer lokalen Temperaturverteilung im Cantilever zu dienen.
Der zumindest eine erste Aktuator kann ausgebildet sein, die einstellbare Biegung des zumindest einen ersten Cantilevers während des Scan-Vorgangs im Wesentlichen konstant zu halten.
Die einstellbare Biegung eines Cantilevers kann unabhängig von der Betriebsweise des Rastersondenmikroskops während eines Scan-Vorgangs mittels der optischen Messeinrichtung kontrolliert werden. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die gewünschte Orientierung der Messspitze der Messsonde bezüglich der Probenoberfläche während des Untersuchens der Probe erhalten bleibt.
Der zumindest eine erste Cantilever kann einen zweiten Aktuator umfassen. Der zweite Aktuator kann in den zumindest einen ersten Cantilever integriert sein. Der zweite Aktuator kann ausgebildet sein, den zumindest einen ersten Cantilever zu einer erzwungenen Schwingung anzuregen. Ferner kann der zweite Aktuator ausgebildet sein, den zumindest einen ersten Cantilever unter einer konstanten Auslenkung über die zu untersuchende Probenoberfläche zu scannen. Der zweite Aktuator kann in Form eines bimorphen Aktuators und/oder in Form eines piezoelektrischen Aktuators ausgeführt werden.
Indem ein Cantilever zwei Aktuatoren aufweist, stehen zwei Parameter zum Einwirken auf den Cantilever bereit, um zum einen seine Biegung und zum anderen die Wechselwirkung der Messsonde mit der Probenoberfläche zu kontrollieren bzw. zu optimieren.
Ein piezoelektrischer Aktuator kann ausgebildet sein, eine einstellbare Biegung des zumindest einen Cantilevers auszuführen, die das Neigen des Befestigungsbereichs der Messsonde zumindest teilweise kompensiert oder eine einstellbare Biegung des zumindest einen Cantilevers auszuführen, die das Neigen des Befestigungsbereichs verstärkt.
Ein piezoelektrischer Aktuator kann eine Bewegung des Cantilevers in zwei entgegengesetzte Richtungen durch Umkehren der Stromrichtung erreichen.
Der zumindest eine erste Cantilever und die Messspitze können eine Resonanzfrequenz aufweisen, die im Bereich von 1 kHz–10 MHz, bevorzugt 5 kHz–5 MHz, mehr bevorzugt 10 kHz–2 MHz, und am meisten bevorzugt 15 kHz–1 MHz liegt. Ferner kann der zumindest eine Cantilever eine Federkonstante aufweisen, die im Bereich von 0,001 N/m–400 N/m, bevorzugt 0,02 N/m–200 N/m, mehr bevorzugt 0,04 N/m–150 N/m, und am meisten bevorzugt 0,1 N/m–100 N/m liegt.
Ein Rastersondenmikroskop kann ferner eine Steuereinrichtung aufweisen, die ausgebildet ist, ein Steuersignal für den ersten Aktuator und/oder den zweiten Aktuator bereitzustellen. Ferner kann die Steuereinrichtung ausgebildet sein, Steuersignale für eine oder mehrere Heizvorrichtungen bereitzustellen.
In den Befestigungsbereich des zumindest einen ersten Cantilevers können elektrische Anschlüsse integriert sein, die zu dem einen oder den zwei Aktuatoren bzw. der einen oder den zwei Heizvorrichtungen führen.
Sonden von Rastersondenmikroskopen sind heute bevorzugt automatisch wechselbar. Indem die elektrischen Anschlüsse für den bzw. die Aktuatoren bzw. die Heizvorrichtung(en) in den Befestigungsbereich der Messsonde integriert werden, können Messsonden automatisch, d. h. ohne manuelle Interaktion gewechselt werden. Dadurch wird eine einfache Bedienbarkeit eines Rastersondenmikroskops erreicht. Dies ermöglicht die oben definierten Rastersondenmikroskope beispielsweise in einer Fertigungsumgebung einzusetzen. Überdies sichert ein automatischer Sondenwechsel eine hohe Reproduzierbarkeit und Zuverlässigkeit. Darüber hinaus können durch die Automatisierung des Sondenwechsels kurze Sondenwechselzeiten von weniger als einer Minute erreicht werden. Dies ist insbesondere für Rastersondenmikroskope günstig, die in einer Vakuumumgebung arbeiten.
Das Rastersondenmikroskop kann ferner eine Detektionseinrichtung aufweisen, die ausgebildet ist, aus einer Topographie der Probenoberfläche und einer Kontur der Messspitze der Messsonde zu bestimmen, ob ein zu untersuchender Bereich mit einem verstärkt zur Probenoberfläche hin gebogenen Cantilever genauer untersucht werden kann als ohne verstärkt gebogenen Cantilever.
Die zumindest eine optische Messeinrichtung kann ein Lichtzeigersystem umfassen. Das Lichtzeigersystem kann ein Lasersystem und eine Vier-Quadranten-Photodiode umfassen, wobei das Lasersystem einen Lichtstrahl auf den zumindest einen ersten Cantilever richtet, der von dem zumindest einen ersten Cantilever auf die Vier-Quadranten-Photodiode reflektiert wird.
Die optische Messeinrichtung in der Ausführung eines Lichtzeigersystems ermöglicht eine große Präzision beim Bestimmen der einstellbaren Biegung des Cantilevers entlang seiner Längsachse. Zudem weisen Rastersondenmikroskope häufig optische Messeinrichtungen in Form eines Lichtzeigersystems auf, so dass Rastersondenmikroskope zum Bestimmen der einstellbaren Biegung eines Cantilevers nicht aufwändig nachgerüstet werden müssen. Die Längsachse der Messsonde erstreckt sich symmetrisch von der Messspitze zum Befestigungsbereich der Messsonde. Die Querachse des Cantilevers steht senkrecht zur Längsachse in einer Ebene der Messsonde.
Der zumindest eine erste Cantilever kann einen piezoresistiven und/oder einen piezoelektrischen Sensor umfassen.
Der piezoelektrische Sensor kann zum Bestimmen der Wechselwirkung der Messsonde mit der Probenoberfläche während eines Scan-Vorgangs eingesetzt werden. Ferner kann der piezoelektrische Sensor zusätzlich zur optischen Messeinrichtung zum Detektieren der auf die Messspitze beim Scannen wirkenden Kraft benutzt werden. Darüber hinaus kann ein piezoresistiver Sensor zum Messen der einstellbaren Biegung des Cantilevers vor oder bei Beginn eines Scan-Vorgangs verwendet werden.
Nach einem anderen Aspekt weist ein Rastersondenmikroskop ferner einen Prüfkörper zur Bestimmung der einstellbaren Biegung des zumindest einen ersten Cantilevers auf.
Ein Prüfkörper mit definierten Abmessungen, der insbesondere ein oder mehrere Strukturelemente mit bekannten Abmaßen aufweist, kann eingesetzt werden, um einen Kippwinkel der Halterung des SPM-Messkopfes gegen die Horizontale, eine einstellbare Biegung des Cantilevers und/oder ein Ansprechverhalten der optischen Messeinrichtung zu kalibrieren. Die Kalibrierung des Rastersondenmikroskops kann in regelmäßigen Zeitabständen widerholt werden. Die Kalibrierungswerte können in einem nichtflüchtigen Speicher des Rastersondenmikroskops abgelegt werden. Die Kalibrierungswerte können zum Bestimmen der einstellbaren Biegung des Cantilevers und/oder zum Bestimmen eines Topographiebildes der zu untersuchenden Probenoberfläche aus den Daten eines oder mehrerer Scans der Messsonde eingesetzt werden.
Ein Rastersondenmikroskop kann ferner aufweisen: (d) zumindest eine zweite Messsonde mit einem zweiten Befestigungsbereich und zumindest einem zweiten Cantilever, an dem zumindest eine zweite Messspitze angeordnet ist; (e) wobei der zumindest eine zweite Cantilever ausgebildet sind, um vor Beginn eines Scan-Vorgangs an einem freien Ende des zumindest einen zweiten Cantilevers eine einstellbare Biegung anzunehmen, welche eine Kippung des zweiten Befestigungsbereichs und/oder eine Vorbiegung des zumindest einen zweiten Cantilevers zumindest teilweise kompensiert oder verstärkt; und (f) wobei der zumindest eine erste und der zumindest eine zweite Cantilever im Wesentlichen in Form antiparalleler Vektoren angeordnet sind.
Durch die Anordnung der beiden Cantilever in der Form antiparalleler Vektoren können beispielsweise zwei senkrechte Seitenwände eines Steges, der in einer Richtung senkrecht zum Steg von einem SPM gescannt wird, mit großer Genauigkeit analysiert werden. Falls der Abstand der beiden Messsonden zueinander einstellbar ist, können die beiden Seitenwände des Stegs von den Messspitzen der beiden Messsonden simultan abgetastet werden. Dazu wird zum Scannen der entsprechenden Flanken oder Seitenwände, die Messspitze des entsprechenden Cantilevers zur Probe hin gebogen. Damit kann ein Bereich einer Probe mit einer Messspitze gescannt werden, wobei die Biegung des Cantilevers an die Topologie der Probenoberfläche angepasst ist.
Falls die Struktur der Oberflächentopologie nicht bekannt ist, kann ein Probenbereich in einem ersten Scan mit einer im Wesentlichen senkrecht zur Probenoberfläche geführten Messspitze abgetastet werden. Aus dem aus den Messdaten erzeugten Bild wird eine einstellbare Biegung des Cantilevers der entsprechenden Messspitze für einen zweiten Scan bestimmt. Dann wird mit gebogenem Cantilever der zu untersuchende Probenbereich, beispielsweise eine Seitenwand, erneut gescannt. Aus den Messdaten der beiden Scans des gleichen Bereichs der Probe wird sodann ein realitätsnahes zweites Bild der Probenoberfläche erzeugt. Falls das zweite Bild Anlass zu der Vermutung gibt, dass sich das zweite Bild der Probenoberfläche noch immer nicht mit der Wirklichkeit deckt, kann der zu untersuchende Bereich der Probe erneut mit einem anders gebogenen Cantilever abgetastet werden. Dieser Vorgang kann bei Bedarf wiederholt werden, bis ein wirklichkeitsnahes Abbild eines zu untersuchenden Bereichs der Probenoberfläche vorliegt.
Das einstellbare Biegen eines Cantilevers erfordert nur das Bewegen einer minimalen Masse. Die Messsonde kann somit sehr schnell und reproduzierbar für einen Scan-Vorgang vorbereitet werden. Durch das einstellbare Biegen des bzw. der Cantilever wird somit der Durchsatz eines Rastersondenmikroskops nur unwesentlich verringert.
Ein Rastersondenmikroskop weist in der Regel leicht auswechselbare Messsonden und eine modular ausführbare Steuereinrichtung zur Erzeugung eines Steuersignals auf. Bestehende Anlagen können deshalb in einfacher Weise mit einer hier beschriebenen Messsonde nachgerüstet werden.
Ein Rastersondenmikroskop kann zumindest zwei erste und zumindest zwei zweite Cantilever aufweisen, wobei die zumindest zwei ersten und die zumindest zwei zweiten Cantilever im Wesentlichen um 90° gegeneinander gedreht angeordnet sind.
In diesem Ausführungsbeispiel weist ein Rastersondenmikroskop vier Cantilever auf, die jeweils unter einem Winkel von im Wesentlichen 90° angeordnet sind und deren Messspitzen zueinander zeigen. In dieser Konfiguration kann ein Rastersondenmikroskop unabhängig von der Scan-Richtung eine Probe, die senkrecht zueinander verlaufenden Stege aufweist, beispielsweise Elemente eines Absorber-Patterns einer photolithographischen Maske, hochpräzise analysieren.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das oben ausgeführte Problem durch ein Verfahren zum Untersuchen einer Probenoberfläche gelöst. Das Verfahren zum Untersuchen einer Probenoberfläche mit zumindest einer Messsonde, die einen Befestigungsbereich und zumindest einen Cantilever aufweist, weist eine Abfolge von Schritten auf: (a) Einstellen einer einstellbaren Biegung an einem freien Ende des zumindest einen Cantilevers vor Beginn eines Scan-Vorgangs, welche eine Kippung des Befestigungsbereichs und/oder eine Vorbiegung des zumindest einen Cantilevers zumindest teilweise kompensiert oder verstärkt; und (b) Bestimmen vor Beginn des Scan-Vorgangs mit einer optischen Messeinrichtung, ob der zumindest eine Cantilever die einstellbare Biegung angenommen hat.
Ein anderer Aspekt weist ferner den Schritt auf: Ausführen des Scan-Vorgangs in einem Kontakt-Betriebsmodus, in einem Nicht-Kontakt-Betriebsmodus, einem intermittierenden Betriebsmodus oder einen Schritt-Betriebsmodus (Step-in mode).
Ein weiterer Aspekt weist ferner den Schritt auf: Betreiben des zumindest einen Cantilevers in einer geschlossenen Regelschleife beim Ausführen des Scan-Vorgangs.
Ein Rastersondenmikroskop, das einen Cantilever aufweist, der eine einstellbare Biegung entlang seiner Längsachse aufweist, kann in allen gängigen Betriebsarten betrieben werden. Somit ist das Einstellen einer einstellbaren Biegung eines Cantilevers mit keinerlei Nachteilen für den Einsatz eines SPM, das einen entsprechenden Cantilevers aufweist, verbunden.
Noch ein anderer Aspekt weist ferner die Schritte auf: Wiederholen der Schritte (a) und (b), falls das Bestimmen bei Schritt (b) ergibt, dass der zumindest eine Cantilever die einstellbare Biegung nicht richtig angenommen hat.
Es ist ein Vorzug des beschriebenen Verfahrens, dass die einstellbare Biegung eines Cantilevers solange verändert werden kann, bis das freie Ende des Cantilevers eine vorgegebene Orientierung aufweist. Wie bereits ausgeführt, kann das einstellbare Biegen des freien Endes des Cantilevers das Neigen des Befestigungsbereichs der Messsonde gegen die Horizontale und/oder eine Vorbiegung des Cantilevers kompensieren.
Noch ein weiterer Aspekt umfasst den Schritt des Scannens der zumindest einen Messspitze über die zu scannende Probenoberfläche nach dem Bestimmen, dass das freie Ende des zumindest einen Cantilevers eine vorgegebene Orientierung bezüglich der zu scannenden Probenoberfläche angenommen hat.
Das einstellbare Biegen des zumindest einen Cantilevers kann ein im Wesentlichen senkrechtes Annähern der Messspitze an die zu scannende Probenoberfläche ermöglichen.
Das einstellbare Biegen kann ferner umfassen: Wegbiegen des zumindest einen Cantilevers von der zu scannenden Probenoberfläche, sodass vor Beginn des Scan-Vorgangs das freie Ende des zumindest einen Cantilevers im Wesentlichen parallel der zu scannenden Probenoberfläche ausgerichtet ist. Ferner kann das einstellbare Biegen umfassen: Biegen des freien Endes des zumindest einen Cantilevers hin zur zu scannenden Probenoberfläche.
Noch ein weiterer Aspekt umfasst den Schritt: Detektieren einer Topographie der Probenoberfläche, die im Wesentlichen der Kontur der Messspitze entspricht zum Bestimmen, ob die einstellbare Biegung des zumindest einen Cantilevers verstärkt werden soll.
Ein anderer Aspekt weist den Schritt auf: Entscheiden, ob der Cantilever der Messsonde verstärkt gebogen wird auf der Basis eines detektierten Höhengradienten der Probenoberfläche.
Das oben definierte Verfahren ermöglicht es, während eines Scan-Vorgangs eine steile hohe Flanke zu erkennen und durch ein entsprechendes verstärktes Biegen des freien Endes des Cantilevers mit Hilfe eines erneuten Scannens des entsprechenden Probenbereichs die Genauigkeit des Abtastens einer Probenoberfläche zu vergrößern.
Gemäß einem weiteren Aspekt führt das oben beschriebene Rastersondenmikroskop ein oben erläutertes Verfahren aus.
Ein Computerprogramm kann Anweisungen umfassen, die, wenn sie von einem der oben beschriebenen Rastersondenmikroskope ausgeführt werden, das Rastersondenmikroskop veranlassen, die Verfahrensschritte eines der obigen Aspekte auszuführen.
Eine Steuereinrichtung kann ausgebildet sein, ein Rastersondenmikroskop zu veranlassen, die Verfahrensschritte der oben angegebenen Verfahren auszuführen.
4. Beschreibung der Zeichnungen
In der folgenden detaillierten Beschreibung werden derzeit bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei
1 im oberen Teilbild einen Ausschnitt einer photolithographisch strukturierten Probe zeigt, die Streifen auf einem Substrat der Probe aufweist, die vom einem Rastersondenmikroskop (AFM) gescannt wurden und im unteren Teilbild einen Scan einer Messsonde des AFM über die Streifen entlang einer Scan-Linie zeigt;
2 im Wesentlichen den Ausschnitt der Probe der 1 repräsentiert, der von einem Rasterelektronenmikroskop aufgenommen wurde;
3 schematisch eine Messsonde eines Rastersondenmikroskops darstellt, deren Halterung einen Kippwinkel gegen die Horizontale aufweist und dadurch den Befestigungsbereich der Messsonde um den gleichen Winkel gegen die Horizontale kippt;
4 eine schematische Darstellung des Rasterns einer Messsonde über beide Seitenwände eines Elements der Probe der 1 darstellt und im unteren Teilbild die aus dem Scan ermittelte Kontur des gescannten Bereichs der Probenstruktur wiedergibt;
5 eine schematische Darstellung der Trajektorie des freien Endes eines gekippten, schwingenden Cantilevers veranschaulicht;
6 berechnete Bahnbewegungen des freien Endes des Cantilevers und der Messspitze bei sich ändernder Krümmung des Cantilevers für eine Verkippung der Halterung von 0° (gepunktete und durchzogene Kurven) und der Messspitze für eine Kippung der Halterung um 8° darstellt (gestrichelte Kurve);
7 einen Ausschnitt der 6 präsentiert;
8 eine schematische Darstellung der Trajektorie des freien Endes eines Cantilevers illustriert, der von der Probenoberfläche weg gebogen wurde;
9 die berechneten Bahnbewegungen des freien Endes bzw. der Messspitze der
6 wiedergibt, wobei die Messspitze von der Probenoberfläche weg gebogen wurde;
10 einen Ausschnitt der 9 darstellt;
11 im oberen Teilbild einen gekippten Cantilever repräsentiert, wobei die Kippung durch Biegen eines freien Endes des Cantilevers von einer Probenoberfläche weg im Wesentlichen kompensiert ist und im unteren Teilbild die Verbesserung des gebogenen Cantilevers gegenüber der 4 veranschaulicht;
12 schematisch einige wesentliche Komponenten eines Rastersondenmikroskops wiedergibt;
13 schematisch die wesentlichen Komponenten des Lichtzeigersystems der 12 illustriert;
14 schematisch eine Aufsicht (oben) und einen Schnitt (unten) durch eine Sonde und eine Halterung eines Rasterkraftmikroskops mit V-förmigem Cantilever zeigt;
15 die Messsonde der 14 wiedergibt, nachdem ein Heizwiderstand über große Teile der Arme des Cantilevers aufgebracht wurde;
16 schematisch eine Aufsicht (oben) und einen Schnitt (unten) durch eine Messsonde und eine Halterung eines Rasterkraftmikroskops zeigt, wobei über große Teile der beide Arme des V-förmigen Cantilevers ein Piezo-Aktuator angebracht wurde;
17 schematisch eine gegen die Horizontale gekippte Messsonde darstellt, wobei das freie Ende des Cantilever eine permanente Biegung von einer Probenoberfläche weg aufweist;
18 schematisch einen gekippten Cantilever darstellt, dessen freies Ende eine temporäre Biegung zur Probenoberfläche aufweist;
19 im oberen Teilbild schematisch zwei Messsonden repräsentiert, die parallel angeordnet sind und deren Messspitzen zueinander weisen, deren gebogene freie Enden das Kippen der Cantilever kompensieren und das untere Teilbild schematisch die beiden Messsonden des oberen Teilbildes zeigt, deren Cantilever zur Probenoberfläche hin gebogen sind;
20 schematisch eine Konfiguration aus vier Sonde darstellt, deren Messsonden zueinander weisen;
21 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Untersuchen einer Probenoberfläche mit einer Messsonde wiedergibt, wobei die Orientierung des freien Endes des Cantilevers und damit der Messspitze eingestellt werden kann; und
22 ein Flussdiagram eines beispielhaften Verfahrens zum Einstellen einer Biegung eines freien Endes eines Cantilevers darstellt.
5. Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
Anhand der 1 bis 4 werden kurz die Schwierigkeiten herkömmlicher Rastensondenmikroskope beim Scannen von Strukturen mit großem Aspektverhältnis diskutiert. Im Anschluss daran werden derzeit bevorzugte Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und eines erfindungsgemäßen Verfahrens genauer erläutert.
Das beispielhafte Diagramm 100 der 1 zeigt im oberen Teilbild schematisch einen Ausschnitt einer strukturierten Probe 110, mit einem Substrat 120, das ein regelmäßiges Muster von Elementen einer periodischen Streifenstruktur 130 aufweist. Die Seitenwände der periodischen Streifen sind sehr steil; idealerweise sind sie senkrecht. Der Ausschnitt der Probe 110 wurde mit einem Kraftmikroskop (AFM) als Beispiel eines Rastersondenmikroskops (SPM) abgetastet. Das untere Teilbild des Diagramms 100 repräsentiert einen Scan 140 des AFM bzw. des SPM entlang der Linie 145 oder der Scan-Linie 145, d. h. senkrecht zu den Elementen der Streifenstruktur 130. Wie aus dem unteren Teilbild der 1 zu ersehen ist, beträgt die Höhe der periodischen Streifen 130 etwas mehr als 60 nm. Aus dem unteren Teilbild kann ebenfalls entnommen werden, dass die periodischen Streifen 130 etwa 200 nm breit sind. Sowohl das Substrat 120 der Probe 110 als auch die Oberfläche der Elemente der Streifenstruktur 130 sind im Wesentlichen eben.
Zudem zeigt der Scan 140 des unteren Teilbildes, dass die Messung der rechten Seitenwände der Streifen 130 mit einem anderen Winkel abfallen, als die Messung der linken Seitenwände. Dies manifestiert eine erste Schwierigkeit des Abbildens des in der 1 dargestellten Ausschnitts einer strukturierten Probe 110 mit Hilfe eines SPM oder eines AFM.
Aus dem oberen Teilbild des Diagramms 100 ist zudem zu entnehmen, dass das mittlere Element oder der mittlere Streifen der Streifenstruktur 130 entlang der rechten Flanke oder Seitenwand Defekte 160 aufweist, wohingegen die linke Seitenwand dieses Elements der Streifenstruktur 130 keine Defekte aufzuweisen scheint. Das Diagramm 200 der 2 zeigt nochmals im Wesentlichen den Ausschnitt der Probe 110, mit dem Substrat 120 un der periodischen Streifenstruktur 130 des Diagramms 100 der 1. Das Diagramm 200 der 2 wurde mit Hilfe eines Rasterelektronenmikroskops (SEM) aufgenommen. Neben den Defekten 160 entlang der rechten Seitenwand des mittleren Elements der Streifenstruktur 130 enthüllt dieses Mikrobild, dass auch die linke Flanke des mittleren Strukturelements 130 Defekte 260 aufweist. Dies bedeutet, dass das AFM oder SPM, Defekte 260 entlang des linken Seitenrands eines Elements der Streifenstruktur 130 nicht oder zumindest nicht eindeutig abbilden kann.
Die 1 repräsentiert ein Beispiel einer Probenoberfläche 150, mit Strukturelementen 130 auf einem Substrat 120 einer Probe 110, die ein großen Aspektverhältnis aufweist, d. h. das Verhältnis der Höhe oder Tiefe einer Struktur zu ihrer (kleinsten) Breite. Ferner weisen Elemente der Streifenstruktur 130 steile Seitenwände oder Flanken auf. Damit ist eine mit Streifen 130 strukturierte Probe 110 gut geeignet, die Problemstellung der vorliegenden Erfindung zu veranschaulichen. Darüber hinaus kann die Wirksamkeit der in dieser Anmeldung offenbarten Problemlösung an diesem Beispiel illustriert werden. Ein hier beschriebenes Rastersondenmikroskop samt zugehörigen Verfahren ist jedoch nicht auf die Anwendung auf Proben 110 mit Streifenstrukturen 130 beschränkt. Vielmehr kann ein erfindungsgemäßes Rastersondenmikroskop bzw. ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Analysieren beliebiger Proben einsetzt werden.
Das Diagramm 300 der 3 repräsentiert eine Messsonde 330 mit einem Befestigungsbereich 305 oder einer Befestigungsplatte 305, einem Cantilever 310 oder Federbalken 310 und einer Messspitze 320. Mit Hilfe des Befestigungsbereichs 305 wird die Messsonde 330 an der Halterung 340 des AFM-Messkopfes befestigt. Dies kann beispielsweise durch Klemmen erfolgen.
Mittels der Halterung 340 wird somit die Messsonde 330 in ein Rastersonenmikroskop eingebaut (in der 3 nicht gezeigt). Die Messspitze 320 der Messsonde 330 oder der Sonde 330 ist vorzugsweise in der Nähe des freien Endes 350 des Cantilevers 310 angebracht. Die Halterung 340 und damit auch der Befestigungsbereich 305 oder die Befestigungsplatte 305 der Messsonde 330 sind in der 3 um einen Winkel 390 um eine Querachse, die im Beispiel des Diagramms 300 senkrecht zur Papierebene steht, gegenüber der Horizontalen 380 gekippt oder geneigt. Die Kippung der Halterung 340 erfolgt entlang der Längsachse 370 des Cantilevers 310. Der Kippwinkel 390 liegt typischerweise in einem Bereich von 5° bis 20°. Die Position 315 zeigt den gekippten oder geneigten Cantilever 310 in seiner Ruhelage. Die Positionen 312 und 317 repräsentieren die Positionen maximaler Auslenkung eines schwingenden Cantilevers 310. Die Position 315 stellt den Nulldurchgang einer erzwungenen Schwingung dar. Das freie Ende 350 des Cantilevers 310 führt bei einer Schwingung eine Bewegung entlang der Trajektorie 360 aus. Für die Auslenkungen 312, 317 des Cantilevers 310 folgt die Bahnbewegung der Spitze 325 der Messspitze 320 des Cantilevers 310 der Trajektorie 360. Aus Übersichtlichkeitsgründen ist in den Positionen 315 und 317 des Cantilevers 310 die Messspitze 320 unterdrückt.
Das Diagramm 400 der 4 veranschaulicht, wie die geneigte oder gekippte Sonde 330 das Diagramm 100 der 1 erzeugt. In der 4 analysiert die Messsonde 330 die Probenoberfläche 150, wobei die Halterung 340 bzw. ein an der Halterung angebrachtes Piezoelement den Cantilever 310 zu einer erzwungenen Schwingung anregt. Im linken oberen Teilbild der 4 tastet die Sonde 330 eine Oberfläche eines Elements der Streifenstruktur 130 der Probe 110 ab. Im mittleren oberen Teilbild rastert die Messspitze 320 des Cantilevers 310 entlang der rechten Seitenwand 410 eines Streifenelements 130. Das rechte obere Teilbild zeigt das Scannen einer linken Seitenwand 420 eines Elements der Streifenstruktur 130 der Photomaske 110. Das untere Teilbild stellt die aus dem Scan der oberen Teilbilder der 4 extrahierte Kontur 430 dar. Die im Wesentlichen ebene Oberfläche des Strukturelements 130 kann die gegen die Senkrechte der Oberfläche der Probe 110 geneigte Messspitze 320 mit großer Auflösung untersuchen. Dies gilt auch für das Substrat 120 der Probe 110. Auch die Analyse der rechten Seitenwand des Strukturelements 130, gegen deren Oberfläche die Messspitze 320 einen kleinen von Null verschiedenen Winkel aufweist, kann die Messspitze 320 mit vernünftiger Auflösung analysieren. Beim Untersuchen der linken seitlichen Begrenzung 420 eines Elements der Streifenstruktur 130 bewegt sich die Spitze 325 der geneigten Messspitze 320 beim Absenken auf die Probenoberfläche 150 jedoch von der Oberfläche der Seitenwand 420 weg. Dies resultiert in einer großen Messungenauigkeit beim Analysieren der Seitenwand 420 oder der Kante eines Elements der Streifenstruktur 130, was zu einer falschen Repräsentation 440 der linken Seitenwand 420 in der Kontur 430 führt. Die Messdaten herkömmlicher Rastersondenmikroskope sind im Bereich 440 der Kontur 430 wenig belastbar. Die Linie 450 symbolisiert die oben gemachten Ausführungen durch eine Messunsicherheitskarte. Der Bereich der Messunsicherheit, d. h. der Bereich der linken Seitenwand eines Elements der Streifenstruktur 130 ist in der Messunsicherheitskarte gepunktet dargestellt.
Das Diagramm 500 der 5 veranschaulicht die Aufteilung der Bewegung der Spitze 325 der Messspitze 320 des Cantilevers 310 in eine Höhenänderung und einen lateralen Versatz bei ihrer Bewegung entlang der Bahnkurve 360.
Die 6 zeigt die berechnete Kurven für das freie Ende 350 des Cantilevers 310 (gepunktete Kurve 610), der Spitze 325 der Messspitze 320 des Cantilevers 310 (durchgezogene Kurve 620) und der Spitze 325 der Messspitze 320 des Cantilevers 310 bei einer zusätzlichen Neigung der Halterung 340 und damit des Befestigungsbereichs 305 bzw. des Cantilevers 310 von 8° hin zur Probenoberfläche 150 (gestrichelte Kurve 630). Die Kurven geben eine stark übertriebene Biegung des Cantilevers 310 an, die bis zu einer Verbiegung von 90° des freien Endes 350 des Cantilevers 310 reicht. Eine Höhenänderung der Spitze 325 der Messspitze 320 mittels Verkrümmen des Cantilevers 310 von etwa h = 10,23 μm führt zu einem lateralen Versatz im Bereich von ebenfalls 10,23 μm (grüne Kurve). Wird der Cantilever 310 so gekrümmt, dass die Biegung 90° beträgt, beschreibt das freie Ende des Cantilevers ein Kreissegment von 90°. In diesem Spezialfall sind vertikaler und horizontaler Versatz im Wesentlichen identisch. Der zusätzliche Kippwinkel 390 von 8° resultiert in einer Höhenänderung der Spitze 325 der Messspitze 320 von 8,7 μm und in einem lateralen Versatz von ungefähr 11,0 μm (gestrichelte Kurve 630).
Die 7 repräsentiert einen vergrößerten Ausschnitt des rechten oberen Ecks der berechneten Kurven der 6. Eine Höhenänderung h der Spitze 325 der Messspitze 320 des Cantilevers 310 von 1 μm resultiert in einem lateralen Versatz von etwa 0,2 μm. Für einen Cantilever 310, der einen Kippwinkel von 8° aufweist, führt eine Höhenänderung von 1 μm hingegen zu einem lateralen Versatz der Spitze 325 der Messsonde 320 von etwa 0,4 μm.
Das Diagramm 800 der 8 zeigt die Trajektorie 860 des freien Endes 360 eines gebogenen Cantilevers 810. Die Biegung des Cantilevers 810 erfolgt weg von der Probenoberfläche 150. Ferner weist der Cantilever 810 eine Neigung oder Kippung gegen die Horizontale 380 um eine Querachse der Messsonde 330 auf.
Das Diagramm der 9 gibt berechnete Trajektorien des freien Endes 350 des gebogenen Cantilevers 810 für eine stark übertriebene Schwingungsanregung wieder gepunktete Kurve 910). Die durchgezogene Trajektorie 920 repräsentiert die Bahn der Spitze 325 der Messspitze 320 der Messsonde 330. Schließlich zeigt die gestrichelte Kurve 930 die Bahnbewegung der Spitze 325 der Messspitze 320 des gebogenen Cantilevers 810 falls die Befestigungsplatte 305 des Cantilevers 810 einen Kippwinkel von 8° aufweist.
Ähnlich wie die 7 repräsentiert die 10 vergrößert den rechten oberen Ausschnitt der berechneten Kurven der 9. Eine Höhenänderung des freien Endes 350 des Cantilevers 810 (gepunktete Kurve 910) oder der Spitze 325 der Messspitze 320 um 1 μm bewirkt einen lateralen Versatz von ungefähr 10 nm. Ein geneigter, gebogener Cantilever 860 (Kippwinkel 8°) verursacht bei dieser Auslenkung einen lateralen Versatz der Spitze 325 der Messspitze 320 von etwa 20 nm.
Die 11 zeigt im oberen Teilbild eine Sonde 1130 oder eine Messsonde 1130, deren Befestigungsbereich an einer geneigten Halterung 340 befestigt ist. Der Kippwinkel 390 der Halterung 340 ist durch ein einstellbares Biegen des Cantilevers 810 von der Probenoberfläche 150 weg kompensiert, so dass das freie Ende 350 des Cantilevers 810 im Wesentlichen parallel zu der Probenoberfläche 150 ausgerichtet ist. Die Spitze 325 der Messspitze 320 des gebogenen Cantilevers 810 nähert sich im Wesentlichen senkrecht der Probenoberfläche 150. In einem Schwingungsbetriebsmodus eines Rastersondenmikroskops führt die Spitze 325 der Messsonde 330 im Wesentlichen eine vertikale Bewegung 1110 aus. Der laterale Versatz der Spitze 325 wird durch den gebogenen Cantilever 810 minimiert. Wie dem unteren Teilbild des Diagramm 1100 der 11 im Vergleich zu der 4 zu entnehmen ist (vgl. Messunsicherheitskarte 450), wird durch das Minimieren der lateralen Bewegung der Spitze 325 der Messspitze 320 der Bereich einer Kontur 1150, der mit großer Unsicherheit behaftet ist, ebenfalls minimiert.
Die 12 zeigt schematisch einige Komponenten eines Rastersondenmikroskops 1200, dessen SPM-Messkopf eine Halterung 340 aufweist, die zum Einbauen einer Messsonde 330, 1130 in das SPM 1200 dient. Rastersondenmikroskope werden nach der verwendeten Messgröße zum Untersuchen der Probe 1210 unterschieden. Rastertunnelmikroskope (STM, englisch für Scanning Tunneling Microscope) verwenden den Tunnelstrom zwischen der Probe 1210 und der Messspitze 320, der beim Anlegen einer Spannung zwischen die Probe 1210 und die Messspitze 320 auftritt, um die Topographie der Probenoberfläche 150 Probe 1210 zu analysieren. Rasterkraftmikroskope (AFM, englisch für Atomic Force Microscope) ermitteln die Oberflächenkontur 150 der Probe 1210 aus der Auslenkung der Messspitze 320 durch die Probe 1210. Magnetkraftmikroskope (MFM, englisch für Magnetic Force Microscope) messen die magnetischen Kräfte zwischen der Probe 1210 und der Messspitze 320. Optische Rasternahfeldmikroskope (SNOM, englisch für Scanning Near-field Optical Microscope) benutzen evaneszente elektromagnetische Wellen als Wechselwirkung zwischen der Probe 1210 und der Messspitze 320. Akustische Rasternahfeldmikroskope (SNAM, englisch für Scanning Near-field Acoustic Microscope) verwenden akustische Nahfeldwechselwirkungen zum Abtasten der Oberflächentopographie der Probe 1210. Diese Aufzählung von Rastersondenmikroskopen ist nicht vollständig.
Das in dieser Anmeldung offenbarte Prinzip zum einstellbaren Biegen des Cantilevers 810 um eine Querachse der Messsonde 330 kann auf die Sonden aller Typen von Rastersondenmikroskopen angewendet werden, die einen Cantilever, d. h. einen elastisch biegsamen Hebelarm oder kurz einen Federbalken aufweisen. Rastersondenmikroskope, deren Messsonden keinen Cantilever haben, müssen vor den Einsatz in der in dieser Anmeldung beschriebenen Konfiguration mit einem Cantilever 810 ausgestattet werden. Im Folgenden wird als ein Beispiel eines Rastersondenmikroskops 1200 ein Rasterkraftmikroskop (AFM) erläutert.
Das in der 12 dargestellte Rasterkraftmikroskop 1200 kann unter Umgebungsbedingungen oder in einer Vakuumkammer (in der 12 nicht dargestellt) betrieben werden. Die zu analysierende Probe 1210 wird auf einem Probentisch 1225 angeordnet. Der Probentisch 1225 kann in drei Raumrichtungen durch eine Positionier-Einrichtung 1215 positioniert werden. Die Positionier-Einrichtung 1215 umfasst zum Beispiel ein oder mehrere Mikroverschiebeelemente, beispielsweise in Form von Spindel-Aktuatoren und/oder Piezo-Aktuatoren (in 12 nicht gezeigt).
Die Messsonde 330, 1130 wird mittels der Halterung 340 an einer Haltevorrichtung (in der 12 nicht gezeigt) des Rasterkraftmikroskops (AFM) 1200 befestigt. Die Haltevorrichtung kann über einen Piezo-Aktuator an den Messkopf des AFM 1200 angeschlossen sein (in der 4 nicht dargestellt). Der Piezo-Aktuator, der die Halterung 340 mit der Haltevorrichtung des AFM-Messkopfes verbindet, kann die Funktion einer Scan-Einrichtung ausführen. Alternativ oder zusätzlich kann in einer weiteren Ausführungsform die Relativbewegung zwischen der Probenoberfläche 150 und der Messspitze 320 zwischen der Positionier-Einrichtung 1215 und dem Piezo-Aktuator, der die Halterung 340 mit der Haltevorrichtung verbindet, aufgeteilt werden. Beispielsweise führt die Positionier-Einrichtung 1215 die Bewegung der Probe 1210 in der Probenebene (xy-Ebene) aus und der oben genannte Piezo-Aktuator bewerkstelligt die Bewegung der Messspitze 320 in Richtung der Probennormalen (z-Richtung).
Vorzugsweise ist der Probentisch 1225 jedoch ortsfest ausgeführt und die Messspitze 320 wird mittels Mikroverschiebeelementen an den zu analysierenden Bereich der Probe 1210 gebracht (in der 12 nicht gezeigt).
Die Messspitze 320 der Sonde 330, 1130 kann in mehreren Betriebsarten arbeiten. Zum einen kann sie in konstanter Höhe über die Oberfläche 150 der Probe 1210 gerastert werden. Alternativ kann die Sonde 330, 1130 mit konstanter Kraft in einer geschlossenen Regelschleife über die Probenoberfläche 150 geführt werden. Ferner ist es möglich, mit Hilfe eines Modulationsverfahrens den Cantilever 310, 810 in eine Schwingung senkrecht zur Probenoberfläche 150 zu versetzen und dadurch die Oberfläche 150 der Probe 1210 in einer geschlossenen Regelschleife abzutasten. Dabei kann der Cantilever 310, 810 bei seiner Resonanzfrequenz schwingen (Selbstoszillation) oder eine erzwungene Schwingung bei einer vorgegebenen Frequenz ausführen. Im zuerst genannten Fall, d. h. der Cantilever 310, 810 oder die Sonde 330, 1130 schwingt in Resonanz, erfolgt eine FM-(Frequenzmodulation)Demodulation, bei der die durch Wechselwirkung zwischen der Messspitze 320 und der Probe 1210 bewirkte Frequenzänderung gemessen wird. Bei einer erzwungenen Schwingung in der Nähe der Resonanzfrequenz wird eine AM-(Amplitudenmodulation)Demodulation durchgeführt, um die durch die Wechselwirkung zwischen der Messspitze 320 und der Probenoberfläche 150 geänderte Amplitude der Schwingung zu detektieren.
Die Auslenkung der Messspitze 320 bzw. des Cantilevers 310, 810 durch die Wechselwirkung von Messspitze 320 und der Oberfläche 150 der Probe 1210 kann mit einem Lichtzeigersystem gemessen werden. Ein Lichtzeigersystem 1300 ist in der 12 dargestellt. In der 13 sind zur Verdeutlichung die wesentlichen Komponenten eines solchen Systems nochmals separat dargestellt. Ein Lasersystem 1260 richtet einen Laserstrahl 1265 auf das freie Ende des Cantilevers 310, 810. Der von dem Cantilever 310, 810 reflektierte Laserstrahl 1275 wird von einem Photodetektor 1270 aufgenommen. Der Photodetektor 1270 wird häufig in Form einer Vier-Quadranten-Photodiode ausgeführt. Es ist auch möglich, eine Zwei-Segment-Photodiode einzusetzen. Dadurch kann das einstellbare Biegen des freien Endes 350 des Cantilevers 310, 810 zum Kompensieren des Kippwinkels 390 gemessen werden ebenso wie eine Vorbiegung und/oder ein Verdrillen des Cantilevers 310, 810. Zum Messen einer Verdrillung des Cantilevers 310, 810 ist eine Vier-Quadranten-Photodiode als Photodetektor notwendig.
Zusätzlich kann ein optisches Interferometer eingesetzt werden, um einen Abstand zwischen der Messspitze 320 der Messsonde 330 und der Probenoberfläche 150 zu bestimmen. Mit einem optischen Interferometer kann auch die Bewegung der Messspitze in z-Richtung, d. h. senkrecht zur Probenoberfläche 150 ermittelt werden (in der 12 nicht gezeigt). Zudem kann eine Ausrichtung des freien Endes 350 des Cantilevers 810 auch mit Hilfe piezoresistiver Elemente oder Sensoren des Cantilevers 810 detektiert werden (in der 12 nicht dargestellt). Darüber hinaus ist es auch möglich, die Orientierung des freien Endes 350 des Cantilevers 810 bezüglich der Probenoberfläche 150 oder der Horizontalen 380 aus einer Kombination von optischen Signalen und der Messdaten piezoresistiver Elemente zu bestimmen (in der 12 ebenfalls nicht gezeigt).
Ferner weist das Rasterkraftmikroskop 1200 eine Steuereinrichtung 1280 auf. Diese ist über eine Zuleitung 1284 für ein Steuersignal mit einem zweiten Lasersystem 1290 verbunden. In dem in der 12 dargestellten Beispiel wird der Laserstrahl 1295 des zweiten Lasersystems 1290 in der Nähe des Befestigungsbereichs 305 auf die beiden Arme des V-förmigen Cantilevers 810 auf den Cantilever 810 gerichtet, um einen bimorphen Aktuator des Cantilevers 810 lokal zu erwärmen. Die Wahl eines Cantilevers 310 in Form eines einzelnen Federbalkens ermöglicht das Arbeiten mit nur einem Lichtstrahl und erleichtert dadurch die Justierung des Laserstrahls 1295.
An das zweite Lasersystem 1290 werden keine besonderen Anforderungen gestellt. Dessen Wellenlänge kann beliebig gewählt werden. Allerdings erleichtern Wellenlängen im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums das Justieren des Laserstrahls 1295. Darüber hinaus ist es günstig, die Wellenlänge der Laserstrahlung so zu wählen, dass der Anteil absorbierter Strahlung möglichst groß ist. Zum lokalen Erwärmen eines Teils des Cantilevers 810 ist eine Ausgangsleistung von einigen mW ausreichend. Um ein lokales Aufheizen eines Teils des Cantilevers 810 zu erreichen, ist eine Fokussierung auf einen Brennfleck < 10 μm notwendig. Insbesondere sollte der Brennfleck kleiner als die Breite des Cantilevers 310 bzw. eines Arms des V-förmigen Cantilevers 810 sein, damit nur sehr wenig Laserstrahlung am Cantilever 310, 810 vorbei auf die Probe 150, 1210 gelangt. Bei einem V-förmigen Cantilever 810 sollten beide Arme gleichmäßig bestrahlt werden. Für moderne Lasersysteme stellen diese Anforderungen kein Problem dar. Es ist vorteilhaft, wenn sich die Wellenlänge der beiden Lasersysteme 1260 und 1290 unterscheiden. Es ist dann möglich, Filter einzusetzen, um eine Störung des Signals des Photodetektors 1270 durch den Laser 1290 (beispielsweise durch Streulicht) zu verhindern.
Zudem weist die Steuereinrichtung 1280 eine zweite Verbindung 1282 zu der Halterung 340 auf. Über die Verbindung 1282 können Steuersignale von der Steuereinrichtung 1280 zu dem Cantilever 810 der Sonde 1130 geführt werden. In den nachfolgenden Figuren werden mehrere beispielhafte Cantilever 810 für Rasterkraftmikroskope 1200 vorgestellt. Der Fachmann wird anerkennen, dass andere Arten von Cantilevers wie etwa der in der 3 beschriebene Cantilever 310 ebenfalls eingesetzt werden können. Ferner werden die einstellbaren Biegungen des freien Endes 350 des Cantilevers 810, durch das Anlegen von Steuersignalen oder Verstellsignalen über die Verbindungen 1282 und/oder 1284 an den Cantilevern 810 hervorgerufen.
Das Diagramm 1400 der 14 zeigt im oberen Teil eine Aufsicht auf eine Sonde 1130 und im unteren Teil einen Schnitt durch die Symmetrieebene der Sonde 1130 oder der Längsachse 370 und der Messsonde 320. Die im unteren Teil der 14 dargestellte yz-Ebene entspricht der Schnittebene durch einen Cantilever 810 und dessen Messspitze 320. Wie bereits oben im Kontext der Diskussion der 3 erläutert, weist die Sonde 1130 einen Befestigungsbereich 1105, eine Messspitze 320 und einen Cantilever 810 auf. Mit Hilfe des Befestigungsbereichs 1105 ist die Messsonde 1130 an der Halterung 340 angebracht ist. Der Cantilever 810 umfasst zwei übereinander angeordnete Schichten 1442 und 1444, die unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Die beiden Schichten 1442 und 1444 können beispielsweise aus halbleitenden und/oder elektrisch isolierenden Materialien aufgebaut sein. Als Beispiel einer halbleitenden Schicht sei hier Silizium (Si) genannt und als Isolator-Material beispielhaft Siliziumnitrid (Si₃N₄). Ferner ist es möglich, dass eine der beiden Schichten 1442 und 1444 eine Metallschicht, beispielsweise eine Aluminium- oder eine Chromschicht und die zweite eine halbleitende oder eine elektrisch isolierende Schicht, beispielsweise eine Polymer-Schicht umfasst. Darüber hinaus sind für die beiden Schichten 1442 und 1444 alle Materialien denkbar, solange diese verschiedene thermische Längenausdehnungskoeffizienten aufweisen.
Zudem ist es denkbar, in das Material des Cantilevers 810 ganzflächig oder in Teilbereiche Material eines anderen Elements oder einer anderen Verbindung bis zu einer bestimmten Tiefe zu implantieren, um so eine zweite Schicht zu erzeugen, deren Längenausdehnung verschieden ist von dem Material des Cantilevers 310, 810. Dabei können die aus der Halbleiterherstellung bekannten Verfahren und Materialien eingesetzt werden. Die Implantierung kann von der Oberseite des Cantilevers 310, 810 (d. h. der der Messspitze 320 abgewandten Seite) und/oder von der Unterseite des Cantilevers 310, 810 (d. h. der Seite, die die Messspitze 320 aufweist) erfolgen.
Die Messspitze 320 kann aus dem Material der unteren Schicht 1444 gefertigt sein, aus dem Material der oberen Schicht 1442 des Cantilevers 810 oder aus einem anderen Material. Dies trifft ebenfalls auf den Befestigungsbereich 1105 bzw. die Befestigungsplatte 1105 zu. Dies bedeutet, die Messspitze 320, eine der Schichten 1442 oder 1444 und die Befestigungsplatte 1105 können einstückig ausgebildet sein. Alternativ können einzelne oder alle Komponenten separat aus geeigneten Materialien gefertigt werden und dann miteinander verbunden werden, beispielsweise durch Kleben.
Eine symmetrische Temperaturänderung des Cantilever 310, 810 führt zu einem Biegen des freien Endes 350 des Cantilevers 810 in der yz-Ebene. Eine lokale Erwärmung des Cantilevers 810 kann beispielsweise durch lokales Bestrahlen eines Balkens an einer Position 1460 mit dem Laserstrahl 1295 des Lasersystems 1290 erzeugt werden. Die Biegung des Cantilevers 810 ist in erster Näherung proportional zu der an der Position 1460 eingebrachten Lichtleistung. Neben der Lichtleistung des Laserstrahls 1295 hängt das Ausmaß der Biegung des freien Endes 350 des Cantilevers 310, 810 auch von der Position 1460 ab, an der der Laserstrahl 1295 auf den Cantilever 310, 810 auftrifft. Ferner beeinflussen der Absorptionskoeffizient des Materials, auf das der Laserstrahl 1295 trifft und dessen spezifische Wärmeleitung – und damit die Zeitdauer der Einstrahlung – das einstellbare Biegen des freien Endes 350 des Cantilevers 310, 810.
Das einstellbare Biegen des Cantilevers 810 erfolgt beim Anlegen eines Steuersignals der Steuereinrichtung 1280 über die Verbindung 1284 an das Lasersystem 1290 aufgrund der geringen Masse des Cantilevers 810 mit einer sehr kurzen Zeitkonstante im Bereich von Mikrosekunden. Die Zeitdauer vom ersten Auftreffen des Laserstrahls 1295 an der Position 1460 auf den Cantilever 810 bis zum Einstellen eines stationären Zustands innerhalb des Cantilevers 810 hängt stark von der thermischen Leitfähigkeit der Materialien der Schichten 1442 und 1444 ab. Ferner wird diese Zeitkonstante stark von der Ausdehnung des Cantilevers 310, 810 sowie dem Volumen und dem Material der Befestigungsplatte 1105 beeinflusst. Die thermische Zeitkonstante variiert deshalb in einem Bereich von einigen Mikrosekunden bis Millisekunden. Die Zeitkonstante, mit der der Cantilever 310, 810 nach dem Abschalten des Laserstrahls 1295 durch die Steuereinrichtung 1280 wieder ins thermische Gleichgewicht, zurückkehrt ist in der Regel größer.
Damit das freie Ende 350 des Cantilevers 310, 810 während eines Scan-Vorgangs gebogen bleibt, muss somit der lokale Temperaturgradient durch kontinuierliche Energiezufuhr aufrechterhalten werden. Falls die Messsonde 1130 moduliert betreiben wird, schwingt der Cantilever 810 in z-Richtung. Die Amplitude der Cantilever-Schwingung ist normalerweis jedoch klein (< 1 μm), so dass diese in erster Näherung vernachlässigt werden kann.
Die lokale Temperaturerhöhung im Bereich der Position 1460 hängt neben der Leistung des Laserstrahls 1295 auch von den Materialien 1442 und 1444 sowie der Position 1460 des Laserstrahls 1295 auf dem Cantilever 810 ab.
Der in der 14 dargestellte beispielhafte Cantilever 810 weist zwei Materialien mit verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf. Es ist auch möglich, drei oder mehr Materialien übereinander anzuordnen. Bei der Anordnung von drei oder mehr verschiedenen Materialien übereinander sollte jedoch darauf geachtet werden, dass die Resonanzfrequenz des Cantilevers 810 im Bereich von 10 kHz bis 20 MHz verbleibt.
Ferner erstrecken sich in dem in der 14 dargestellten Beispiel beide Schichten 1442 und 1444 über den gesamten Cantilever 810. Es ist jedoch auch möglich, dass eine der Schichten 1442 und 1444 oder beide Schichten sich nicht über den gesamten Cantilever 810 erstrecken (in der 14 nicht gezeigt).
Das Diagramm 1500 der 15 präsentiert den Cantilever 810 der 14, der zwei Materialien 1442 und 1444 mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist. Zusätzlich weist der Cantilever 810 eine Heizvorrichtung in Form zweier Heizwiderstände 1560 auf, die auf den beiden Armen des Cantilever 810 angebracht sind. Der Heizwiderstände 1560 können beispielsweise in Form einer dünnen Beschichtung ausgeführt werden. Das derzeit bevorzugte Material ist Aluminium. Aluminium weist zum einen hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und zum anderen einen relativ großen elektrischen Widerstand auf. Andere Metalle mit ähnlichen Eigenschaften können ebenfalls eingesetzt werden.
In der 15 sind die Heizwiderstände 1560 aus Einfachheitsgründen in Form von Rechtecken dargestellt. Typischerweise weisen die Heizwiderstände mäandrierende elektrische Leiterstrukturen auf. Dabei liegt die Breite der Leiter im Bereich von einigen Mikrometern. Deren Länge beträgt typischerweise einige Hundert Mikrometer, beispielsweise 200 μm bis 500 μm.
Im Folgenden wird das Aufbringen von Heizwiderständen auf einen Cantilever 810 an einem Beispiel erläutert. Ein beispielhafter Cantilever 810 weist eine 4,6 μm dicke Siliziumschicht auf. Diese ist von einer 0,6 μm dicken Schicht aus Siliziumoxid bedeckt. Auf die Siliziumoxid-Schicht wird in einem ersten Schritt eine dünne Chromschicht (ca. 50 nm) als Haftvermittlungsschicht abgeschieden. Auf der Chromschicht werden 1 μm dicke Aluminiumschichten in Form gefalteter Leiterstrukturen abgeschieden, die als Heizwiderstände fungieren.
Heizwiderstände können auch durch Implantieren von Dotierstoffen in einen halbleitenden Cantilever 310, 810 erzeugt werden. Dieser Prozess ist in dem Buch „PRONANO: proceedings of the integrated project on massively parallel intelligent cantilever probe platforms for nanoscale analysis and synthesis", herausgegeben von Thomas Sulzbach und Ivo W. Rangelow, Münster: Verlagshaus Monsenstein und Vannerdat, ISBN: 978-3-86991-177-9 beschrieben.
In der in der 15 dargestellten Ausführungsform sind die Heizwiderstände 1560 zusätzlich zu den beiden Schichten 1442 und 1444 des Cantilevers 810 aufgebracht. Beim Aufbringen der Heizwiderstände 1560 ist es jedoch auch möglich, auf eine der beiden Schichten 1442 oder 1444 zu verzichten. Die Heizwiderstände 1560, die eine thermische Längenausdehnung aufweisen, die von der Schicht 1442 oder 1444 des Cantilevers 810 verschieden ist, übernimmt dann die Funktion der zweiten Schicht des Cantilevers 810. Zudem ist es möglich, die Heizwiderstände 1560 durch Implantieren eines Dotierstoffes in die Arme des Cantilevers 810 erzeugen.
Der Heizwiderstand 1560 weist zwei Zuleitungen 1565 und 1575 auf, die durch den Befestigungsbereich 1105 der Messsonde 1130 führen und den Heizwiderstand 1560 über die Verbindung 1282 mit der Steuereinrichtung 1280 verbinden.
Der Heizwiderstand 1560 erlaubt ein lokales Erwärmen des Cantilevers 810 auf dem die Heizwiderstände 1560 angebracht sind. Ähnlich wie im Kontext der Diskussion der 14 erläutert, führt das lokale Erwärmen des Cantilevers 810 zu einem einstellbaren Biegen des freien Endes 350 und damit des Cantilevers 810 der Messsonde 330 bezüglich der Probenoberfläche 150. Die thermische Zeitkonstante zum Einstellen eines stationären Zustands innerhalb des Cantilevers 810 zwischen lokaler Wärmezufuhr durch die Heizwiderstände 1560 und der Wärmeabfuhr durch die Befestigungsplatte 1105 liegt in der gleichen Größenordnung wie oben angegeben. Aufgrund der geringen Masse des Cantilevers 810 sind bereits geringe elektrische Leistungen im Bereich von einigen mW ausreichend (typischerweise im Bereich von 2 mW bis 10 mW), die von den Heizwiderständen 1560 in Wärme umgesetzt werden, um das freie Ende 350 des Cantilevers 810 einstellbar zu verbiegen.
Die Heizwiderstände 1560 können digital betrieben werden, d. h. beim Anlegen des Steuersignals wird eine vorgegebene Spannung an die Heizwiderstände 1560 gelegt und diese wandeln eine definierte elektrische Leistung in eine entsprechende Wärmeenergie. Alternativ können die Heizwiderstände 1560 auch analog arbeiten, so dass die elektrische Verlustleistung der Heizwiderstände 1560 entsprechend der an den Zuleitungen 1565 und 1575 anliegenden Spannung eingestellt werden kann. Falls das in der 12 dargestellte Rasterkraftmikroskop zum Einsatz kommt, können die Heizwiderstände 1560 auch in einer geschlossenen Regelschleife verwendet werden. Als Regelgröße fungiert dabei die Abweichung der Orientierung des freien Endes 350 des Cantilevers 810 von der Horizontalen 370, die mittels des Lichtzeigersystems bestimmt werden kann.
In dem Beispiel der 15 sind die Heizwiderstände 1560 auf der Oberseite des Cantilevers 810 angebracht. In einer alternativen Form können die Heizwiderstände 1560 an der Unterseite des Cantilevers 810 angebracht werden (nicht in der 15 nicht dargestellt). Dies hat den Vorteil, dass der oder die Heizwiderstände die Position des Laserstrahls 1265 zum Bestimmen der Biegung und/oder der Auslenkung des freien Endes 350 des Cantilevers 810 nicht beeinträchtigen können. Andererseits verringert der oder die an der Unterseite des Cantilevers 640 angebrachten Heizwiderstände geringfügig den Abstand des Cantilevers 810 von der Probenoberfläche 150.
In den 14 und 15 wurden Sonden 1130 für Rasterkraftmikroskope beschrieben, deren Cantilever V-förmig ausgebildet sind. Die in dieser Anmeldung definierten Rasterkraftmikroskope können jedoch auch Sonden 1130 einsetzen, deren Cantilever anders gestaltet sind, wie beispielsweise der streifenförmige Cantilever 310 der 3.
Das Diagramm 1600 der 16 zeigt einen Cantilever 810, an dessen beiden Armen Piezo-Aktuatoren 1660 angebracht ist. Der Cantilever 810 weist eine im Wesentlichen einheitliche Materialschicht 1442 auf. Die Piezo-Aktuatoren 1660 sind über die Zuleitungen 1665 bzw. 1675 und 1282 mit der Steuereinrichtung 1280 des Rasterkraftmikroskops 1200 verbunden.
Piezo-Aktuatoren können beispielsweise in Form von Zinkoxid-(ZnO)Aktuatoren, wie oben für die Heizwiderstände beschrieben, auf den Cantilever 810 aufgebracht werden. Dies wird beispielsweise von den Autoren S. R. Manalis, S. C. Minne und C. F. Quate in dem Artikel „Atomic force microscopy for high speed imaging using cantilevers with an integrated actuator and sensor", Appl. Phys. Lett. 68, 871 (1996) beschrieben. Generell werden fast nur integrierte Herstellungsmethoden aus der Halbleiterindustrie und der MEMS(mikro-elektromechanisches System)Herstellung zum Abscheiden oder Implantieren der Piezo-Aktuatoren 1660 eingesetzt.
Das einstellbare Biegen des freien Endes 350 des Cantilevers 810 mit Hilfe der Piezo-Aktuatoren 1660 hat den Vorteil, dass das freie Ende des Cantilevers 810 schnell von der Probenoberfläche 150 weg oder zur Probenoberfläche 150 hin gebogen werden kann. Die Ansprechzeit von Piezo-Aktuatoren wird durch deren relativ große Kapazität begrenzt, die bei Änderung einer angelegten Spannung zu einem Stromfluss führt. Die Kapazität der Piezo-Aktuatoren in Verbindung mit dem Widerstand der Zuleitungen 1665 und 1675 begrenzt das Ansprechen des freien Endes 350 auf eine Änderung des an die Zuleitungen 1665, 1675 gelegten Spannungssignals.
In den Ausführungsbeispielen der 14 bis 16 kann die Biegung des Cantilevers 810 eingestellt werden, um die Neigung des Befestigungsbereichs 1105 und/oder ein in den Cantilever 810 eingebaute Vorbiegung bestmöglich zu kompensieren. Es ist jedoch auch möglich, einen Cantilever mit einer fest eingebauten Biegung weg von der Probenoberfläche 150 auszustatten. Die 17 repräsentiert einen Cantilever 1710, der eine permanente Biegung aufweist. Die permanente Biegung kann beispielsweise durch Aufbringen einer zweiten Schicht aus einem Material, das einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der von dem des Materials der ersten Schicht verschieden ist, auf einen bestehenden Cantilever bei einer Temperatur erzeugt werden, die oberhalb oder unterhalb der Raumtemperatur liegt. Das Abkühlen oder Erwärmen auf Raumtemperatur verspannt die beiden Schichten und bildet dadurch eine permanente Biegung des Cantilevers 1710 aus.
Alternativ kann eine permanente Biegung in einem Cantilever 1710 eingeführt werden, der zwei Materialien mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, indem der Cantilever 1710 für eine kurze Zeitspanne über die Dehnungsgrenze des bei der niedrigeren Temperatur schmelzenden Materials erwärmt wird.
Der Cantilever 1710, der eine fixe permanente Biegung aufweist, ist für einen bestimmten Kippwinkel 1790 der Halterung 340 ausgelegt.
Die 18 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Cantilever 310, 810 anders als in den 14 bis 16 durch einen Aktuator 1560 oder 1660 bzw. durch den Laserstrahl 1290 zur Probenoberfläche 150 hin gebogen wird. Die Halterung 340 und damit der Befestigungsbereich 305, 1105 des Cantilevers 310, 810 sind um einen Winkel 390, 1790 gegenüber der Horizontalen 380 geneigt. Wie oben ausgeführt, kann der Kippwinkel 390, 1790 beispielsweise 10° betragen. In dieser Konfiguration des Cantilevers 310, 810 kann die Seitenwand 410 eines Elements der Streifenstruktur 130 der Probe 110 mit höherer Präzision als mit nicht gebogener oder mit nach oben gebogenem Cantilever 310, 810, d. h. weg von der Probenoberfläche gebogenem Cantilever 810, analysiert werden.
Falls der Cantilever 310, 810 einen oder mehrere Aktuatoren 1660 aufweist, die ein Biegen des freien Endes 350 in entgegengesetzte Richtungen ermöglichen, kann ein erster Scan-Vorgang über die Probenoberfläche 150 mit einem Cantilever 310, 810 ausgeführt werden, dessen freies Ende 350 den Kippwinkel der Halterung 340 bzw. eine Vorbiegung des Cantilevers 310, 810 bestmöglich kompensiert. Falls die aus dem ersten Scan erzeugte Kontur der Probenoberfläche 150 Anzeichen enthält, dass der Cantilever 310, 810 spezielle Bereiche der Probenoberfläche 150, wie beispielsweise die Seitenwand 410 nicht realitätsnah abtasten kann, wird vor einem zweiten Scan der Cantilever 310, 810 in die andere Richtung, d. h. zur Probenoberfläche 150 hin gebogen und die Seitenwand 410 wird mit dem so präparierten Cantilever 310, 810 ein zweites Mal gescannt. Aus der Überlagerung der Daten der beiden Scans kann die Steuereinrichtung 1280 eine realitätsnahe Kontur der Probenoberfläche 150 im Bereich der Seitenwand 410 bestimmen.
Das Diagramm 1900 der 19 zeigt eine Konfiguration aus zwei Sonden 330 und 1930, mit deren Hilfe beide Seitenflächen eines Steges reproduzierbar abgetastet werden können. Die beiden Sonden 330 sind antiparallel zueinander angeordnet, d. h. die Messspitzen 320 und 1920 zeigen zueinander. Die Befestigungsbereiche 305 und 1905 sind um ihre Längsachsen 370 und 1970 um einen Winkel geneigt. Beide Befestigungsbereiche 305 und 1905 können den gleichen oder verschiedene Neigungswinkel aufweisen. Die Cantilever 810 und 1910 können Cantilever gleichen Typs sein. Es ist auch möglich, verschiedene Cantilever-Arten für die Cantilever 810 und 1910 einzusetzen. Das Gleiche gilt für die Messspitzen 320 und 1920.
Im oberen Teilbild weisen die Cantilever 810 und 1910 der beiden Messsonden 330 und 1930 eine Biegung weg von der Probenoberfläche 150 auf, um die Neigung der Befestigungsbereiche 305 und 1905 durch das freie Ende 350, 1950 der Cantilever 810, 1910 soweit wie möglich zu kompensieren. In dieser Ausrichtung können ebene Bereiche einer Probe, beispielsweise das Substrat 120 der Probe 110 oder die Oberfläche von Elementen der Streifenstruktur 130 mit großer Auflösung gescannt werden.
Im unteren Teilbild der 19 sind die Cantilever 810 und 1910 zur Probenoberfläche 150 hin gebogen. Mit dieser Einstellung kann die Messsonde 330 die linke Seitenwand 410 eines Elements der Streifenstruktur 130 der Probe 110 der 1 mit verbesserter Genauigkeit abtasten. Analog kann die Messsonde 1930 die rechte Seitenwand 420 eines Elements der Streifenstruktur 130 der Probe 110 scannen. Aus den Scans beider Cantilever 810 und 1910 über Bereiche der Probenoberfläche 150, die kein großes Aspektverhältnis aufweisen und einzelnen Scans der geneigten und zur Probenoberfläche 150 hin gebogenen Cantilever 810 und 1910 über steile Wände, kann die Steuereinrichtung 1280 des Rastersondenmikroskop 1200 eine realitätsnahe Kontur der Probenoberfläche 150 erzeugen.
In der 19 erfolgt der Scan der Probenoberfläche 150 parallel zu der Anordnung der beiden Messsonden 330 und 1930. Steile Seitenwände die parallel zur Scan-Richtung der Sonden 330 und 1930 orientiert sind, können die Sonden 330 und 1930 jedoch nur schwer abtasten. Die 20 zeigt eine Konfiguration, die die beiden Messsonden 330 und 1930 jeweils zweimal aufweist. Dabei sind die beiden Sonden 330 und 1930 um jeweils 90° gegeneinander verdreht angeordnet. Falls ein Rastersondenmikroskop 1200 zwei Messsonden 330 und 1930 in dieser Anordnung aufweist, kann das SPM 1200 Probenoberflächen 150 realitätsnah abbilden, deren Strukturelemente eine rechteckige Form mit steilen Seitenwänden aufweisen. Zum Scannen von Bereichen der Probenoberfläche 150, die kein großes Aspektverhältnis aufweisen, können die freien Enden 350, 1950 der Cantilever 810 und 1910 parallel zur Probenoberfläche 150 ausgerichtet werden und einzeln oder in Kombination die Probenoberfläche abtasten.
Ein Prüfkörper, der beispielsweise von der Firma μmash bezogen werden kann, kann eingesetzt werden, um das einstellbare Biegen des freien Endes 350, 1950 des Cantilevers 310, 810, 1710, 1910 zu eichen. Die Schlüsselelemente eines Prüfkörpers sind dessen überhängende Strukturelemente. Falls sowohl die Messspitze 320, 1920 symmetrisch bezüglich der z-Richtung (d. h. der Probennormalen) ist und die Messspitze 320, 1920 zusätzlich senkrecht zum Prüfkörper steht, erzeugt die Messsonde 330, 1930 ein symmetrisches Bild des Prüfkörpers. Ist eine der beiden Bedingungen nicht erfüllt, generiert die Messsonde 330, 1930 ein verzerrtes Bild des Prüfkörpers. Erfolgt der Scan der Messsonde 330, 1930 nicht parallel zum Prüfkörper, sind die Messdaten vor dem Ausführen der Symmetriebetrachtung entsprechend zu korrigieren.
Die 21 gibt ein Ablaufdiagramm 2100 eines Verfahrens wieder, das zum Untersuche einer Probenoberfläche 150 eingesetzt werden kann, insbesondere einer Oberfläche 150, die ein großes Aspektverhältnis und/oder steile Flanken 410, 420 aufweist. Das Verfahren beginnt bei 2110. Im ersten Schritt 2120 wird ein freies Ende 350, 1950 eines Cantilevers 310, 810, 1910 mittels einer einstellbaren Biegung eingestellt, wobei die einstellbare Biegung eine Kippung eines Befestigungsbereichs 305, 1905 einer Messsonde 330, 1930 und/oder eine Vorbiegung des Cantilevers 310, 810, 1910 zumindest teilweise kompensiert oder verstärkt. Im zweiten Schritt 2130 wird mit Hilfe einer optischen Messeinrichtung 1300 bestimmt, ob der Cantilever 310, 810, 1910 die geforderte Biegung tatsächlich aufweist. Beide Schritte werden vor Beginn eines Scan-Vorgangs ausgeführt. In einem dritten, optionalen Schritt 2140 – angedeutet durch die gepunktete Umrahmung – werden die Schritte 2120 und 2130 wiederholt, falls das Bestimmen der einstellbaren Biegung bei Schritt 2120 ergibt, dass der Cantilever die einstellbare Biegung nicht richtig angenommen hat. Schließlich endet das Verfahren endet bei Schritt 2150. Das in dem Ablaufdiagramm 2100 dargestellte Verfahren wird vor dem Scannen der Probenoberfläche 150 ausgeführt.
Schließlich präsentiert das Flussdiagramm 2200 der 22 ein beispielhaftes Verfahren zum Einstellen der Orientierung des freien Endes 350, 1950 eines Cantilevers 310, 810, 1910. Das Verfahren beginnt bei Schritt 2210. Bei Schritt 2230 wird das Lasersystem 1290 eingeschaltet, das einen Laserstrahl 1295 auf den Cantilever 810, 1910 in der Nähe des freien Endes 350 des Cantilevers 810, 1919 richtet. Die Vier-Quadranten-Photodiode 1270 des Lichtzeigersystems 1300 misst den A-B-Anteil des von dem freien Ende 350, 1950 des Cantilevers 310, 810, 1910 reflektierten Lichtstrahls 1275. Am linken unteren Ende des Flussdiagramms 2200 ist eine Aufsicht auf die Vier-Quadranten-Photodiode 1270 dargestellt. Ein Lichtstrahl 1275 trifft die lichtempfindliche Fläche der Photodiode 1270 zentral.
Bei Schritt 2230 wird der Signalanteil, den der Lichtstrahl 1275 in den Segmenten A und B der Vier-Quadranten-Photodiode 1270 aufweist, bestimmt. Bei Entscheidungsschritt 2240 wird festgestellt, ob der Signalanteil der Segmente A und B kleiner als ein vorgegebener Schwellenwert ist. Falls dies zutrifft, wird bei Schritt 2250 die Lichtleistung des Lasersystems 1290 erhöht und bei Schritt 2230 wird erneut der Signalanteil der Segmente A und B der Vier-Quadranten-Photodiode 1270 gemessen. Bei Entscheidungsschritt 2240 wird sodann festgestellt, ob der neue Signalanteil der Segmente A und B noch immer kleiner als ein vorgegebener Schwellenwert ist. Falls dies nicht der Fall ist, wird bei Schritt 2260 festgestellt, dass die momentane Lichtleistung des Lasersystems 1290 die gewünschte Biegung des freien Endes 350, 1950 des Cantilevers 310, 810, 1910 einstellt. Bei Schritt 2270 wird dann der Prozess des Annäherns der Messspitze 320, 1920 an die Probenoberfläche 150 gestartet. Das Verfahren zum Einstellen der Orientierung des freien Endes 350, 1950 des Cantilevers 310, 810, 1910 relativ zur Probenoberfläche 150 endet bei Schritt 2280.
Vorzugsweise wird das Verfahren der 22 mit Hilfe einer Regelung (beispielsweise mit einem Proportional- und einem Integral-Glied) in Kombination mit einer Abtast-Halte-Schaltung (sample and hold) ausgeführt. Nach Erreichen des Soll-Wertes wird vom Abtast- in den Halte-Modus umgeschaltet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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„PRONANO: proceedings of the integrated project on massively parallel intelligent cantilever probe platforms for nanoscale analysis and synthesis”, herausgegeben von Thomas Sulzbach und Ivo W. Rangelow, Münster: Verlagshaus Monsenstein und Vannerdat, ISBN: 978-3-86991-177-9 [0152]
S. R. Manalis, S. C. Minne und C. F. Quate in dem Artikel „Atomic force microscopy for high speed imaging using cantilevers with an integrated actuator and sensor”, Appl. Phys. Lett. 68, 871 (1996) [0160]

Claims

Rastersondenmikroskop (1200) zum Untersuchen einer Probenoberfläche (150), aufweisend: a. zumindest eine erste Messsonde (330) mit einem ersten Befestigungsbereich (305) und zumindest einem ersten Cantilever (310, 810, 1710), an dem zumindest eine erste Messspitze (320) angeordnet ist; b. wobei der zumindest eine erste Cantilever (310, 810, 1710) ausgebildet ist, um vor Beginn eines Scan-Vorgangs an einem freien Ende (350) des zumindest einen ersten Cantilevers (310, 810, 1710) eine einstellbare Biegung anzunehmen, welche eine Kippung des ersten Befestigungsbereichs (305) und/oder eine Vorbiegung des zumindest einen ersten Cantilevers (310, 810, 1710) zumindest teilweise kompensiert oder verstärkt; und c. zumindest eine optische Messeinrichtung (1300), die ausgebildet ist, um die einstellbare Biegung zu bestimmen.
Rastersondenmikroskop (1200) nach Anspruch 1, wobei die einstellbare Biegung weg von der Probenoberfläche (150) erfolgt, sodass vor Beginn des Scan-Vorgangs das freie Ende (350) des zumindest einen ersten Cantilevers (310, 810, 1710) im Wesentlichen parallel zu der zu scannenden Probenoberfläche (150) ausgerichtet ist.
Rastersondenmikroskop (1200) nach Anspruch 1, wobei die einstellbare Biegung des freien Endes (350) des zumindest einen ersten Cantilevers (310, 810, 1710) zur scannenden Probenoberfläche (150) hin erfolgt.
Rastersondenmikroskop (1200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die einstellbare Biegung des zumindest einen ersten Cantilevers (310, 810, 1710) einen Nulldurchgang (315) für eine Schwingung des zumindest einen ersten Cantilevers (310, 810, 1710) während eines Scan-Vorgangs festlegt.
Rastersondenmikroskop (1200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die einstellbare Biegung des zumindest einen ersten Cantilevers (1710) als dauerhafte Biegung ausgeführt ist.
Rastersondenmikroskop (1200) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der zumindest eine erste Cantilever (1710) zumindest zwei miteinander verbundene Materialschichten aufweist, deren thermische Ausdehnungskoeffizienten unterschiedlich sind und die zueinander permanent vorgespannt sind.
Rastersondenmikroskop (1200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zumindest eine erste Cantilever (310, 810, 1710) zumindest einen Aktuator (1560, 1660) umfasst.
Rastersondenmikroskop (1200) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der zumindest eine Aktuator (1560, 1660) einen multimorphen Aktuator (1560) und/oder einen piezoelektrischen Aktuator (1660) umfasst.
Rastersondenmikroskop (1200) nach Anspruch 7 oder 8, wobei der zumindest eine Aktuator (1560, 1660) ausgebildet ist, die einstellbare Biegung des zumindest einen ersten Cantilevers (310, 810, 1710) während des Scan-Vorgangs im Wesentlichen konstant zu halten.
Rastersondenmikroskop (1200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine optische Messeinrichtung (1300) ein Lichtzeigersystem (1300) umfasst.
Rastersondenmikroskop (1200) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Lichtzeigersystem (1300) ein Lasersystem (1260) und eine Vier-Quadranten-Photodiode (1270) umfasst, und wobei das Lasersystem (1260) einen Lichtstrahl (1265) auf den zumindest einen ersten Cantilever (310, 810, 1710) richtet, der (1275) von dem zumindest einen ersten Cantilever (310, 810, 1710) auf die Vier-Quadranten-Photodiode (1270) reflektiert wird.
Rastersondenmikroskop (1200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend einen Prüfkörper zur Bestimmung der Biegung des zumindest einen ersten Cantilevers (310, 810, 1710).
Rastersondenmikroskop (1200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweisend: d. zumindest eine zweite Messsonde (1930) mit einem zweiten Befestigungsbereich (1905) und zumindest einem zweiten Cantilever (1910), an dem zumindest eine zweite Messspitze (1920) angeordnet ist; e. wobei der zumindest eine zweite Cantilever (1910) ausgebildet ist, um vor Beginn eines Scan-Vorgangs an einem freien Ende (1950) des zumindest einen zweiten Cantilevers (1910) eine einstellbare Biegung anzunehmen, welche eine Kippung des zweiten Befestigungsbereichs (1905) und/oder eine Vorbiegung des zumindest einen zweiten Cantilevers (1910) zumindest teilweise kompensiert oder verstärkt; und f. wobei der zumindest eine erste (310, 810, 1710) und der zumindest eine zweite Cantilever (1910) im Wesentlichen in Form antiparalleler Vektoren angeordnet sind.
Rastersondenmikroskop (1200) nach dem vorhergehenden Anspruch, aufweisend zumindest zwei erste (310, 810, 1710) und zumindest zwei zweite Cantilever (1910), wobei die zumindest zwei ersten (310, 810, 1710) und die zumindest zwei zweiten Cantilever (1910) im Wesentlichen um 90° gegeneinander gedreht angeordnet sind.
Verfahren zum Untersuchen einer Probenoberfläche (150) mit zumindest einer Messsonde (330, 1930), die einen Befestigungsbereich (305, 1905) und zumindest einen Cantilever (310, 810, 1710, 1910) aufweist, an dem zumindest eine Messspitze (320, 1920) angeordnet ist, wobei das Verfahren eine Abfolge von Schritten aufweist: a. Einstellen einer einstellbaren Biegung an einem freien Ende (350, 1950) des zumindest einen Cantilevers (310, 810, 1710, 1910) vor Beginn eines Scan-Vorgangs, welche eine Kippung des Befestigungsbereichs (305, 1905) und/oder eine Vorbiegung des zumindest einen Cantilevers (310, 810, 1710, 1910) zumindest teilweise kompensiert oder verstärkt; und b. Bestimmen vor Beginn des Scan-Vorgangs mit einer optischen Messeinrichtung (1300), ob der zumindest eine Cantilevers (310, 810, 1710, 1910) die einstellbare Biegung angenommen hat.
Verfahren nach Anspruch 15, ferner den Schritt aufweisend: Ausführen des Scan-Vorgangs in einem Kontakt-Betriebsmodus, in einem Nicht-Kontakt-Betriebsmodus, einem intermittierenden Betriebsmodus oder einem Schritt-Betriebsmodus.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, ferner den Schritt aufweisend: Betreiben des zumindest einen Cantilevers (310, 810, 1710, 1910) in einer geschlossenen Regelschleife beim Ausführen des Scan-Vorgangs.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15–17, ferner die Schritte aufweisend: Wiederholen der Schritte a. und b. falls das Bestimmen bei Schritt b. ergibt, dass der zumindest eine Cantilever (310, 810, 1710, 1910) die einstellbare Biegung nicht richtig angenommen hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15–18, das von einem Rastersondenmikroskop (1200) der Ansprüche 1 bis 14 ausgeführt wird.
Computerprogramm, das Anweisungen umfasst, die, wenn sie von einem der Rastersondenmikroskope (1200) der Ansprüche 1 bis 14 ausgeführt werden, das Rastersondenmikroskop (1200) veranlassen, die Verfahrensschritte eines der Ansprüche 15 bis 18 auszuführen.
Steuereinrichtung (1280), die ausgebildet ist, ein Rastersondenmikroskop (1200) dazu zu veranlassen, die Verfahrensschritte eines der Ansprüche 15 bis 18 auszuführen.