DE102017205528A1

DE102017205528A1 - Vorrichtung und Verfahren für ein Rastersondenmikroskop

Info

Publication number: DE102017205528A1
Application number: DE102017205528.6A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Matejka; Christof Baur
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2017-03-31
Filing date: 2017-03-31
Publication date: 2018-10-04
Anticipated expiration: 2037-04-01
Also published as: DE102017205528B4; WO2018177685A1; EP3602080A1; US20220146548A1; TWI675206B; JP2022070996A; US11237185B2; JP7029469B2; TW201842338A; JP7333434B2; US20200025796A1; JP2020512563A; US11796563B2

Abstract

Die vorliegende Anmeldung betrifft eine Vorrichtung (400) für ein Rastersondenmikroskop, die aufweist: (a) zumindest eine erste Messsonde (415, 1000) mit zumindest einem ersten Cantilever (410, 610, 1210, 1410, 1710, 1760, 1810), dessen freies Ende eine erste Messspitze (150) aufweist; (b) zumindest eine erste reflektierende Fläche (420), die im Bereich des freien Endes (140) des zumindest einen ersten Cantilevers (410, 610, 1210, 1410, 1710, 1760, 1810) angeordnet ist und die ausgebildet ist, zumindest zwei Lichtstrahlen (440, 450, 460, 1240, 1250, 1260, 1440, 1450, 1460) in verschiedene Richtungen zu reflektieren; und (c) zumindest zwei erste Interferometer (475, 480, 485), die ausgebildet sind, die zumindest zwei von der zumindest einen ersten reflektierenden Fläche reflektierten Lichtstrahlen (445, 455, 465) zur Positionsbestimmung der ersten Messspitze (150) zu verwenden.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und Verfahren für ein Rastersondenmikroskop.
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 Messsonde 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 Probenoberflächen mit einer Auflösung von < 1 nm in der z-Richtung, d.h. senkrecht zur Probenoberfläche und einer lateralen Auflösung, d.h. in der Ebene der Probenoberfläche im Bereich von 1 nm abtasten. Damit sind SPMs vielversprechende Messgeräte für viele Gebiete der Mikro- und der Nanotechnik.
Mit den angesprochenen Möglichkeiten von SPMs gehen jedoch einige schwerwiegende Nachteile einher. Ein auffälliger Nachtteil von Rastersondenmikroskopen ist ihre geringe Abbildungsgeschwindigkeit, die von der seriellen Aufnahme der einzelnen Datenpunkte und der mechanischen Bewegung der Messsonde herrührt. Ein weiterer nachteilig wirkender Punkt ist die häufig indirekte Messung der lokalen Probenhöhe, die die Geschwindigkeit der Messdatenaufnahme limitiert. Typischerweise weist eine Messsonde einen Cantilever auf, von dessen Spitze ein Laserstrahl auf eine Vier-Quadranten-Photodiode reflektiert wird, die eine Biegung des Cantilevers misst. Das Signal der Vier-Quadranten-Photodiode dient als Regelgröße für eine geschlossene Regelschleife. Dieser Regelkreis führt die Bewegung eines piezoelektrischen Aktuators nach, bis die Biegung des Cantilevers wieder dem vorgegebenen Ausgangswert entspricht. Aus der Bewegung des piezoelektrischen Aktuators wird die Höhe der Probenoberfläche bestimmt.
Oft wird der Cantilever zusätzlich in eine hochfrequente Schwingung mit einer Amplitude von wenigen 10 nm versetzt. Die Anregungsfrequenz für den Cantilever entspricht meist dessen Eigenfrequenz (z.B. 600 kHz) bzw. liegt in deren Nähe.
Die Bandbreite einer Regelung für den z-Abstand zwischen Messsonde und Probenoberfläche ist für beide Betriebsmodi des Cantilevers derzeit auf den einstelligen Kilohertz-Bereich begrenzt, wenn keine oder nur geringe Artefakte bei der Datenaufnahme auftreten sollen.
In dem Artikel „High speed nano-metrology“, Rev. Sci. Instr., Vol. 82, 043710-1 bis 043710-5 (2011) beschreiben die Autoren A.D.L. Humphris et al. einen neuen Ansatz für ein Rasterkraftmikroskop (AFM, Atomic Force Microscope), indem die Auslenkung des Cantilevers des AFM in z-Richtung, d.h. senkrecht zur Probenoberfläche nicht durch ein optisches Zeigersystem, das in einer Rückkopplungsschleife betrieben wird, gemessen wird, sondern durch ein Interferometer, das auf die Rückseite des Cantilevers strahlt.
Die WO 2012 / 104 625 A1 und die WO 2015 / 011 148 A1 beschreiben Rastersondenmikroskope, die in einem dynamischen Betriebsmodus betrieben werden und bei denen der Abstand der Messspitze von der Probenoberfläche mit Hilfe eines Interferometers gemessen wird.
Die Autoren M. Dienwiebel et al. beschreiben in dem Artikel „Superlubricity of graphite“, Phys. Rev. Lett., Vol. 92, Nr. 12, S. 126101-1 bis 126101-4 den Aufbau eines Reibungskraftmikroskops (FFM für Frictional Force Microscope) und damit an Graphit durchgeführte Untersuchungen.
In dem Artikel „Fabrication of a novel scanning probe device for quantitative nanotribology“, Sensors and Actuators, Vol. 84 (2000), S. 18-24 beschreiben die Autoren T. Zijlstra et al. detailliert die Herstellung des im vorhergehenden Abschnitt erwähnten Reibungskraftsensors („Tribolever“) für ein Reibungskraftmikroskop.
Trotz der oben aufgeführten Anstrengungen die Abbildungsgeschwindigkeit von Rastersondenmikroskopen zu erhöhen, weisen diese Geräte noch immer Raum für Verbesserungen hinsichtlich Auflösungsvermögen und Datenaufnahmegeschwindigkeit auf.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher das Problem zu Grunde, eine Vorrichtung und Verfahren anzugeben, mit deren Hilfe die Genauigkeit von Messdaten von Rastersondenmikroskopen und deren Aufnahmegeschwindigkeit gesteigert werden können.
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 für ein Rastersondenmikroskop: (a) zumindest eine erste Messsonde mit zumindest einem ersten Cantilever, dessen freies Ende eine erste Messspitze aufweist; (b) zumindest eine erste reflektierende Fläche, die im Bereich des freien Endes des zumindest einen ersten Cantilevers angeordnet ist und die ausgebildet ist, zumindest zwei Lichtstrahlen in verschiedene Richtungen zu reflektieren; und (c) zumindest zwei erste Interferometer, die ausgebildet sind, die zumindest zwei von der zumindest einen ersten reflektierenden Fläche reflektierten Lichtstrahlen zur Positionsbestimmung der ersten Messspitze zu verwenden.
Eine erfindungsgemäße reflektierende Fläche ist im Bereich des freien Endes eines Cantilevers angebracht, in dem letzterer auch eine Messspitze aufweist. Indem zumindest zwei oder mehr Lichtstrahlen von zwei oder mehr Interferometern auf eine erfindungsgemäße reflektierende Fläche strahlen und von dieser reflektiert werden, kann die Position der Messspitze direkt in zwei oder mehr Dimensionen bestimmt werden. Da die Messungen zur Positionsbestimmung der Messspitze der Messsonde in unmittelbarer Nähe der Messspitze durchgeführt werden, erfolgt die Positionsbestimmung mit sehr großer Genauigkeit, d.h. mit Subnanometer-Präzision für alle drei Raumrichtungen. Das Durchführen der Messungen für alle drei Raumrichtungen mit Hilfe von Interferometern vermeidet zudem die Geschwindigkeitsprobleme, die beim Regeln eines vorgegebenen Abstands zwischen der Messspitze einer Messsonde und der Probenoberfläche in einer geschlossenen Regelschleife auftreten.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann in alle Arten von Rastersondenmikroskopen eingebaut werden, die einen Federbalken oder einen Cantilever aufweisen. Ferner kann die oben definierte Vorrichtung zum Abtasten aller Arten von Proben benutzt werden. Von besonderem Vorteil ist deren Einsatz für Messaufgaben aus den Bereichen der Halbleitertechnik und/oder der photolithographischen Masken.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann zum Bestimmen der Position einer Messspitze eingesetzt werden, unabhängig von der Art in der ein Rastersondenmikroskop eine Messsonde betreibt. Dies bedeutet, eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann beispielsweise im Kontaktmodus, bei dem die Messspitze in auf der Probenoberfläche ausgesetztem Zustand über die Probenoberfläche gescannt wird und im Nicht-Kontaktmodus, in dem die Messsonde in eine Schwingung versetzt und in einem definierten Abstand von der Probenoberfläche über diese gescannt wird, eingesetzt werden. Ferner kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung die Position einer Messspitze in einer intermittierenden Betriebsart, bei der die schwingende Messspitze während eines geringen Teils einer Schwingungsperiode die Probenoberfläche erreicht und einer Abtast-Betriebsart oder einem Step-in Abtastmodus eingesetzt werden.
Darüber hinaus kann eine oben definierte Vorrichtung in einer beliebigen Betriebsumgebung eingesetzt werden, d.h. die Messsonde des Rastersondenmikroskops kann in Vakuum, in einer Schutzgasatmosphäre, beispielsweise in Stickstoff, in einer reaktiven Umgebung, wie etwa in einer Sauerstoffumgebung, Flüssigkeiten oder bei Umgebungsbedingungen betrieben werden.
Überdies kann die oben erläuterte Vorrichtung mit einem beliebigen der derzeit bekannten Cantilever-Antriebe kombiniert werden, wie beispielsweise einem Piezo-Aktuator, einem thermischen, einem elektrostatischen oder einem magnetischen Aktuator. Zudem kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung alle derzeit bekannten Messspitzen zum Abtasten einer Probenoberfläche einsetzen.
Die zumindest eine erste reflektierende Fläche kann auf einer der ersten Messspitze gegenüberliegenden Seite des zumindest einen ersten Cantilevers angeordnet sein.
Dadurch erfordert das Anbringen einer reflektierenden Fläche auf einen Cantilever einer Messsonde keine signifikante Änderung des Cantilevers und bewirkt deshalb keine drastische Änderung des Betriebsverhaltens der Messsonde.
Die zumindest eine erste reflektierende Fläche kann ausgebildet sein, zumindest zwei Lichtstrahlen, die aus verschiedenen Richtungen auf die erste Messspitze gerichtet sind, in sich, d.h. im Wesentlichen in antiparalleler Richtung, zu reflektieren. Ferner kann die zumindest eine erste reflektierende Fläche ausgebildet sein, zumindest einen ersten Lichtstrahl wie ein Spiegel zu reflektieren und für zumindest einen zweiten in einem Winkelbereich um einen Winkel einer Beugungsordnung auf die zumindest eine erste reflektierende Fläche auftreffenden Lichtstrahl einen in diesem Winkelbereich auftretenden gebeugten Lichtstrahl zu erzeugen. Der Winkelbereich kann 0° bis 20°, bevorzugt 0° bis 15°, mehr bevorzugt 0° bis 10°, und am meisten bevorzugt 0° bis 5° umfassen.
Die zumindest eine erste reflektierende Fläche kann zumindest eine erste reflektierende Teilfläche und zumindest eine zweite reflektierende Teilfläche umfassen, und die erste und die zweite reflektierende Teilfläche sind nicht in einer Ebene angeordnet.
Eine erste reflektierende Teilfläche ist vorzugsweise auf der Oberseite des Cantilevers angebracht und reflektiert einen Lichtstrahl in z-Richtung, d.h. senkrecht zur Probenoberfläche. Eine zweite und ggf. eine dritte reflektierende Teilfläche reflektieren Lichtstrahlen, die schräg auf die Messspitze des Cantilevers gerichtet sind. Der zweite und ggf. der dritte reflektierte Lichtstrahl enthalten laterale Positionskomponenten, d.h. Komponenten in x- und/oder y-Richtung. Dadurch können neben der z-Position (durch die erste reflektierende Teilfläche) aus den von der zweiten und/oder der dritten reflektierenden Teilfläche reflektierten Lichtstrahlen die Position der Messspitze in den drei Raumrichtungen bestimmt werden. In dem Fall des Einsatzes von zwei Lichtstrahlen kann die Position der Messspitze in zwei Raumrichtungen bestimmt werden. Dies ist beispielsweise dann sinnvoll, wenn nur die x- und die z-Koordinate der Messspitze sehr genau gemessen werden muss. Eine solche Messaufgabe tritt zum Beispiel bei der Vermessung von Linienstrukturen auf einem Halbleiterchip auf. Beim Einsatz von drei Lichtstrahlen, einer entsprechenden reflektierenden Fläche und drei Interferometern kann die Position der Messspitze in drei Raumrichtungen ermittelt werden. Falls die genaue Position und die Länge der Messspitze des Cantilevers nicht bekannt ist, können diese mit Hilfe einer Kalibrierungsmessung bestimmt werden.
Die reflektierenden Teilflächen können in Form spiegelnder ebener Flächen ausgeführt werden. Es ist jedoch auch möglich, die reflektierenden Teilflächen als abbildende optische Elemente auszuführen, die gekrümmte reflektierende Oberflächen aufweisen.
Vorzugsweise werden die reflektierenden Teilflächen in dem Herstellungsprozess des Cantilevers erzeugt. In diesem Fall sind die reflektierenden Teilflächen integraler Bestandteil des Cantilevers der Messsonde. Die reflektierenden Teilflächen können zur Vergrößerung ihrer Reflektivität mit einer Metallschicht, beispielsweise einer Aluminium- bzw. einer Goldschicht oder einer dielektrischen Reflexionsschicht, beschichtet werden. In einer anderen Ausführungsform können die reflektierenden Teilflächen auch einzeln hergestellt werden und an einem Cantilever befestigt werden.
Die zumindest eine zweite reflektierende Teilfläche kann um einen Winkel β gegen die zumindest eine erste reflektierende Teilfläche gekippt angeordnet sein, und/oder die zumindest eine zweite reflektierende Teilfläche kann um einen Winkel α relativ zu einer Längsachse des Cantilevers gedreht angeordnet sein. Der Betrag des Winkels α kann einen Bereich von 0° bis 90°, bevorzugt 15° bis 75°, mehr bevorzugt 30° bis 60°, und am meisten bevorzugt 40° bis 50° umfassen und der Winkel β kann einen Bereich von 10° bis 80°, bevorzugt 20° bis 70°, mehr bevorzugt 30° bis 60° und am meisten bevorzugt 40° bis 50° umfassen.
Die zumindest eine erste reflektierende Fläche kann zumindest eine erste, zumindest zweite und zumindest eine dritte reflektierende Teilfläche aufweisen, die zumindest eine erste reflektierende Teilfläche kann auf der Oberseite des Cantilevers angeordnet sein, die zumindest eine zweite reflektierende Teilfläche kann einen Winkel α=+45° und einen Winkel β=+45° aufweisen und die zumindest eine dritte reflektierende Teilfläche kann einen Winkel α=-45° und einen Winkel β=+45° aufweisen. Ferner können die zumindest zwei ersten Interferometer zumindest drei erste Interferometer umfassen, die ausgebildet sind, die zumindest drei von der zumindest einen ersten, der zumindest einen zweiten und der zumindest einen dritten reflektierenden Teilfläche reflektierten Lichtstrahlen zur Positionsbestimmung der ersten Messspitze zu verwenden.
Ferner kann die Vorrichtung ein Objektiv umfassen, durch das die zumindest zwei Lichtstrahlen, die auf die zumindest eine reflektierende Fläche auftreffen und die zumindest zwei reflektierten Lichtstrahlen hindurchtreten. Das Objektiv kann eine numerische Apertur (NA) > 0,6, bevorzugt > 0,7, mehr bevorzugt >0,8, und am meisten bevorzugt > 0,9 aufweisen. Generell gilt für die NA des Objektivs die Bedingung: NA_Objektiv > sin(β). Dies bedeutet beispielsweise für β = 45°, dass NA_Objektiv > 0,75 sein muss.
Die zumindest eine erste reflektierende Fläche kann eine diffraktive Struktur aufweisen.
Eine reflektierende Fläche, die in Form einer diffraktiven Struktur ausgeführt ist, weist den Vorteil auf, dass am Cantilever der Messsonde nur minimale Änderungen durchgeführt werden müssen. Deshalb wird das Betriebsverhalten der Messsonde durch die reflektierende Fläche nur wenig verändert.
Die diffraktive Struktur kann zumindest ein Liniengitter umfassen, und oder das zumindest eine Liniengitter kann ein Blaze-Gitter umfassen.
Durch die Ausführung eines Liniengitters in Form eines Blaze-Gitters kann die Beugungseffizienz für die benutzte Beugungsordnung optimiert werden. Vorzugsweise wird die erste Beugungsordnung als zweiter und ggf. als dritter reflektierter Lichtstrahl benutzt.
Die diffraktive Struktur kann zumindest zwei Liniengitter umfassen, die gegeneinander verdreht angeordnet sind. Die zumindest zwei Liniengitter können einen Winkel von ±60° bis ±120°, bevorzugt ±65° bis ±115°, mehr bevorzugt ±70° bis ±110°, und am meisten bevorzugt ±80° bis ±100° gegeneinander gedreht angeordnet sein. Ferner können die zumindest zwei Liniengitter um einen Winkel von ±45° relativ zur Cantilever-Längsachse orientiert sein. Die Gitterkonstante der zumindest zwei Liniengitter kann λ/(2·cos θ) betragen, wobei λ die Wellenlänge der benutzten Lichtstrahlen angibt und θ deren Einfallswinkel auf die reflektierende Fläche bezüglich der Flächennormalen bezeichnet.
Der Ausdruck „im Wesentlichen“ bedeutet hier wie auch an anderen Stellen dieser Anmeldung, die Angabe einer Messgröße innerhalb ihrer Fehlergrenzen, wobei für die Messung Messgeräte gemäß dem Stand der Technik benutzt werden.
Die zumindest eine reflektierende Fläche und der zumindest eine Cantilever können einstückig ausgeführt werden. Diese Ausführungsform ermöglicht das Erzeugen einer reflektierenden Fläche während des Herstellungsprozesses des Cantilevers. Dies gewährleistet eine kostengünstige Herstellung einer reflektierenden Fläche. Zudem erübrigt die integrale Herstellung einer reflektierenden Fläche deren Justierung bezüglich des Cantilevers.
Die zumindest eine reflektierende Fläche kann eine dielektrische Reflexionsschicht und/oder eine Metallschicht, beispielsweise eine Aluminium-, eine Silber- oder eine Goldschicht umfassen, die auf der der ersten Messspitze gegenüberliegenden Seite des zumindest einen ersten Cantilevers aufgebracht ist und in die die diffraktive Struktur eingebracht ist. Die diffraktive Struktur kann lithographisch auf die zumindest eine reflektierende Fläche aufgebracht sein. Alternativ ist es auch möglich, die diffraktive Struktur durch mechanisches Bearbeiten der reflektierenden Fläche zu erzeugen.
Das Abscheiden einer reflektierenden Struktur auf die Oberseite eines Cantilevers hat den Vorteil, dass die Reflexion der reflektierenden Fläche für die Belichtungswellenlänge der Interferometer hoch ist. In einer anderen Ausführungsform kann die diffraktive Struktur direkt auf der Oberseite eines Cantilevers generiert werden.
Die Vorrichtung kann ferner eine Mehrsegment-Photodiode aufweisen, die ausgebildet ist, aus einem der zumindest zwei reflektierten Lichtstrahlen eine Kippung der ersten Messspitze des zumindest ersten Cantilevers relativ zur Längsachse des Cantilevers und/oder eine Verwindung des freien Endes des zumindest einen ersten Cantilevers zu detektieren.
Die Mehrsegment-Photodiode kann eine Vier-Quadranten-Photodiode umfassen. Anstelle der Mehrsegment-Photodiode kann Autokollimationsfernrohr eingesetzt werden, das ausgebildet ist, aus einem der zumindest zwei reflektierten Lichtstrahlen eine Kippung der ersten Messspitze des zumindest ersten Cantilevers relativ zur Längsachse des Cantilevers und/oder eine Verwindung des freien Endes des zumindest einen ersten Cantilevers zu detektieren. Ferner kann die Funktion der Mehrsegment-Photodiode durch zumindest zwei Interferometer ersetzt werden. Überdies kann die gemessene Kippung und/oder die Verwindung des Cantilevers im oben erwähnten Kalibrierungsvorgang mit verwendet werden.
Ferner kann die Vorrichtung zumindest eine Datenverarbeitungsvorrichtung aufweisen, die ausgebildet ist, aus Messsignalen der zumindest zwei ersten Interferometer eine Position der ersten Messspitze des Rastersondenmikroskops in zumindest zwei Raumrichtungen zu bestimmen.
Die Vorrichtung kann ferner zumindest eine Scan-Vorrichtung aufweisen, die ausgebildet ist, die zumindest eine erste Messsonde über eine Probenoberfläche zu scannen. Zudem kann die zumindest eine Scan-Vorrichtung ausgebildet sein, beim Scannen zumindest abschnittsweise keine Rückkopplung für den zumindest einen ersten Cantilever zu verwenden. Die Position der Messspitze eines Cantilevers wird mittels zwei oder mehr Interferometers in zwei oder drei Raumrichtungen direkt gemessen. Deshalb kann auf eine Rückkopplung bezüglich der z-Position für den zumindest einen ersten Cantilever zumindest abschnittsweise verzichtet werden. Dadurch wird es möglich, die Höhe der Messspitze des Cantilevers auszulesen, ohne warten zu müssen, dass die Regelung die z-Position der Probe und/oder der Messsonde nachgeregelt hat.
Indem das Bestimmen der Position der Messspitze bezüglich der Probenoberfläche nicht in einer geschlossenen Rückkoppelungsschleife erfolgt, unterliegt das Scannen mittels der oben definierten Vorrichtung nicht der Bandbreitenlimitierung einer Rückkopplungsschleife und damit nicht der dadurch einhergehenden Begrenzung der Datenaufnahmegeschwindigkeit.
Die Scan-Vorrichtung kann ferner ausgebildet sein, einen lateralen Abstand benachbarter Messpunkte einer Kontur der Probenoberfläche anzupassen.
Ein wesentlicher Vorteil eines hier beschriebenen Scan-Vorgangs ist es, dass die einzelnen Messpunkte zum Abtasten einer Probenoberfläche nicht in einem äquidistanten Abstand gesetzt werden müssen. Vielmehr wird der Abstand der einzelnen Messpunkte entlang einer Scan-Linie an die lokale Kontur der Probenoberfläche in diesem Bereich angepasst. Dadurch lässt sich die Präzision der Datenaufnahme, insbesondere bei Proben mit einem großen Aspektverhältnis, steigern. Das Aspektverhältnis bezeichnet das Verhältnis der Höhe oder Tiefe einer Struktur zu ihrer (kleinsten) Breite.
Die Vorrichtung kann ferner zumindest eine Drehvorrichtung aufweisen, die ausgebildet ist, die zumindest eine erste Messsonde und eine Probe gegeneinander zu drehen.
Es ist irrelevant, ob die Messsonde, die Probe oder sowohl die Messsonde als auch die Probe gedreht werden.
Die zumindest eine erste Messsonde kann ausgebildet sein, einen zur Probenoberfläche hin gekippten Einbau der zumindest einen ersten Messsonde in einen Messkopf des Rastersondenmikroskops zu ermöglichen. Die Messsonde kann dem freien Ende gegenüberliegend einen Befestigungsbereich aufweisen, der ausgebildet ist, die Messsonde in dem Messkopf des Rastersondenmikroskops zu befestigen.
Der zumindest eine erste Cantilever der zumindest einen ersten Messsonde kann einen Kippwinkel im Bereich von 3° bis 40°, bevorzugt 4° bis 35°, mehr bevorzugt 5° bis 30°, und am meisten bevorzugt 5° bis 25° zur Probenoberfläche hin aufweisen.
Zudem kann die Vorrichtung eine Kippvorrichtung aufweisen, die ausgebildet ist, den zumindest einen ersten Cantilever relativ zur Probenoberfläche zu kippen.
Durch das Kippen des Cantilevers hin zur Probenoberfläche wird der Winkel der Messspitze des Cantilevers bezüglich der lokalen Probennormalen verkleinert und dadurch die Präzision des Abtastens der Probenoberfläche mit der Messspitze der Messsonde erhöht. Insbesondere auch in Verbindung mit dem relativen Drehen der Messsonde bezüglich der Probe können mit einem gekippten Cantilever auch steile bzw. überhängende Wände einer Probenoberfläche reproduzierbar gemessen werden.
Zudem kann die Vorrichtung eine Kalibrierungsvorrichtung aufweisen, die zumindest ein Strukturelement aufweist, das ausgebildet ist zum Bestimmen eines Kippwinkels für den zumindest einen ersten Cantilever.
Mit Hilfe einer Kalibrierungsvorrichtung kann der Kippwinkel zum bestmöglichen Scannen einer lokalen Kontur einer Probe für die von der Messsonde eingesetzte Messspitze ermittelt werden.
Die Vorrichtung kann ferner aufweisen: (a) zumindest eine zweite Messsonde mit zumindest einem zweiten Cantilever, dessen freies Ende eine zweite Messspitze aufweist; und (b) wobei die zumindest eine erste und die zumindest eine zweite Messsonde nicht parallel zueinander angeordnet sind.
Überdies kann die Vorrichtung aufweisen: (a) zumindest eine zweite Messsonde mit zumindest einem zweiten Cantilever, dessen freies Ende eine zweite Messspitze aufweist; (b) zumindest eine zweite reflektierende Fläche, die im Bereich des freien Endes des zumindest einen zweiten Cantilevers angeordnet ist und die ausgebildet ist, zumindest zwei Lichtstrahlen in verschiedene Richtungen zu reflektieren; (c) zumindest zwei zweite Interferometer, die ausgebildet sind, die zumindest zwei von der zumindest einen zweiten reflektierenden Fläche reflektierten Lichtstrahlen zur Positionsbestimmung der zweiten Messspitze zu verwenden; und (d) wobei die zumindest eine erste und die zumindest eine zweite Messsonde nicht parallel zueinander angeordnet sind.
Die zweite Messsonde kann somit eine herkömmliche Messsonde sein, die in einem beliebigen der bekannten Betriebsmodi einer Messsonde eines Rastersondenmikroskops arbeitet. In einer zweiten Ausführungsform ist es jedoch möglich, die zweite Messsonde mit einer erfindungsgemäßen reflektierenden Fläche auszustatten, auf die die von zwei oder mehr von Interferometern herrührenden Lichtstrahlen auftreffen.
Eine Drehung der Messsonde und/oder der Probe ist ein mechanisch aufwändiger Prozess und deren Ausführung benötigt einige Zeit. Mit einer zweiten Messsonde können die Anzahl der notwendigen Drehungen zwischen einer Probe und einer Messsonde zum Abtasten einer Probenoberfläche mit großem Aspektverhältnis deutlich verringert werden.
Die Vorrichtung kann ferner ein Objektiv aufweisen, durch das die zumindest zwei Lichtstrahlen, die auf die zumindest eine erste reflektierende Fläche auftreffen, die zumindest zwei von der ersten reflektierenden Fläche reflektierten Lichtstrahlen, die zumindest zwei Lichtstrahlen, die auf die zumindest eine zweite reflektierende Fläche auftreffen und die zumindest zwei von der zweiten reflektierenden Fläche reflektierten Lichtstrahlen hindurchtreten.
Die zumindest eine Scan-Vorrichtung kann ferner ausgebildet sein, einen ersten Abstand benachbarter erster Messpunkte der ersten Messspitze der ersten Messsonde und einen zweiten Abstand benachbarter zweiter Messpunkte der zweiten Messspitze der zweiten Messsonde unabhängig voneinander einzustellen. Dies erhöht die Flexibilität beim Scannen von Teilen einer Probenoberfläche mit großem Aspektverhältnis.
Die zumindest eine erste und die zumindest eine zweite Messsonde kann im Wesentlichen antiparallel oder im Wesentlichen um 90° zueinander verdreht angeordnet sein.
Ferner kann die Vorrichtung aufweisen: (a) zumindest eine weitere Messsonde mit zumindest einem weiteren Cantilever, dessen freies Ende eine weitere Messspitze aufweist; (b) zumindest eine weitere reflektierende Fläche, die im Bereich des freien Endes des zumindest einen weiteren Cantilevers angeordnet ist und die ausgebildet ist, zumindest zwei Lichtstrahlen in verschiedene Richtungen zu reflektieren; und (c) zumindest zwei weitere Interferometer, die ausgebildet sind, die zumindest zwei von der zumindest einen weiteren reflektierenden Fläche reflektierten Lichtstrahlen zur Positionsbestimmung der weiteren Messspitze zu verwenden.
Die zumindest eine erste, die zumindest eine zweite und die zumindest eine weitere Messsonde können winkeläquidistant zueinander angeordnet sein.
Eine Konfiguration mit drei Messsonden, die einen Winkel von 120° zueinander aufweisen, bei der die Messspitzen der Messsonden benachbart sind, kann einen Kompromiss darstellen, zwischen dem Aufwand, der notwendig ist, um eine derartige Konfiguration aufzubauen und der damit erzielbaren Geschwindigkeit und Genauigkeit bei der Datenaufnahme. Dies gilt insbesondere bei der Untersuchung von atomaren bzw. molekularen Strukturen bzw. von biologischem Material.
Eine Ausführung mit vier Messsonden, die einen Winkel von im Wesentlichen 90° zueinander aufweisen, in einer kreuzförmigen Anordnung ist auf die Struktur vieler Proben aus der Halbleitertechnik angepasst und deshalb für die Analyse von Halbleiterstrukturen und/oder von photolithographischen Masken günstig.
Darüber hinaus kann die Vorrichtung ein Objektiv aufweisen durch das die zumindest zwei Lichtstrahlen, die auf der zumindest einen ersten reflektierenden Fläche auftreffen, die zumindest zwei von der ersten reflektierenden Fläche reflektierten Lichtstrahlen, die zumindest zwei Lichtstrahlen, die auf die zumindest eine zweite reflektierende Fläche auftreffen, die zumindest zwei von der zweiten reflektierenden Fläche reflektierten Lichtstrahlen, die zumindest zwei Lichtstrahlen, die auf die zumindest eine weitere reflektierende Fläche auftreffen und die zumindest zwei von der weiteren reflektierenden Fläche reflektierten Lichtstrahlen hindurchtreten.
Die zumindest eine Kippvorrichtung kann ausgebildet sein, die zumindest eine erste, die zumindest eine zweite und die zumindest eine weitere Messsonde unabhängig voneinander zu kippen. Die zumindest eine Scan-Vorrichtung kann ausgebildet sein, die zumindest eine erste, die zumindest eine zweite und die zumindest eine weitere Messsonde sequentiell über eine Probenoberfläche zu scannen. Darüber hinaus kann die zumindest eine Scan-Vorrichtung ausgebildet sein, einen ersten Abstand benachbarter Messpunkte der ersten Messspitze des zumindest einen ersten Cantilevers, einen zweiten Abstand benachbarter Messpunkte der zweiten Messspitze des zumindest einen zweiten Cantilevers, und zumindest einen weiteren Abstand der Messpunkte der weiteren Messspitze des zumindest einen weiteren Cantilevers unabhängig voneinander einzustellen.
Die erste Messspitze des zumindest einen ersten Cantilevers, die zweite Messspitze des zumindest einen zweiten Cantilevers und die weitere Messspitze des zumindest einen weiteren Cantilevers können einen Abstand < 100 µm, bevorzugt < 50 µm, mehr bevorzugt < 30 µm, und am meisten bevorzugt < 10 µm zueinander aufweisen.
Die Vorrichtung kann überdies eine Datenverarbeitungsvorrichtung aufweisen, die ausgebildet ist, aus Messsignalen der zumindest zwei ersten Interferometer, aus Messsignalen der zumindest zwei zweiten Interferometer und aus Messsignalen der zumindest zwei weiteren Interferometer eine Position der ersten Messspitze des Rastersondenmikroskops, die Position der zweiten Messspitze des Rastersondenmikroskops und die Position der weiteren Messspitze des Rastersondenmikroskops in zumindest zwei Raumrichtungen zu bestimmen.
Die Datenverarbeitungsvorrichtung kann ferner zumindest einen Algorithmus umfassen, der ausgebildet ist, aus den Messsignalen der zumindest zwei ersten Interferometer die Position der ersten Messspitze in zwei Raumrichtungen zu bestimmen und/oder aus den Messsignalen von drei Interferometern die Position der ersten Messspitze in drei Raumrichtungen zu bestimmen, und wobei der zumindest eine Algorithmus in Hardware oder einer Kombination aus Hardware und Software ausgeführt ist.
Der Befestigungsbereich des zumindest einen ersten Cantilevers, der Befestigungsbereich des zumindest einen zweiten Cantilevers und der Befestigungsbereich des zumindest einen weiteren Cantilevers können einstückig ausgebildet sein. Der Befestigungsbereich des zumindest einen ersten Cantilevers, der zumindest eine erste Cantilever, der Befestigungsbereich des zumindest einen zweiten Cantilevers, der zumindest eine zweite Cantilever, der Befestigungsbereich des zumindest einen weiteren Cantilevers und der zumindest eine weitere Cantilever können einstückig ausgebildet sein. Der Befestigungsbereich des zumindest einen ersten Cantilevers, der zumindest eine erste Cantilever, die erste Messspitze des zumindest einen ersten Cantilevers, der Befestigungsbereich des zumindest einen zweiten Cantilevers, der zumindest eine zweite Cantilever, die zweite Messspitze des zumindest einen zweiten Cantilevers, der Befestigungsbereich des zumindest einen weiteren Cantilevers, der zumindest eine weitere Cantilever und die weitere Messspitze des zumindest einen weiteren Cantilevers können einstückig ausgebildet sein.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das oben ausgeführte Problem durch ein Verfahren zum Untersuchen einer Probenoberfläche mit einem Rastersondenmikroskop gelöst. Das Verfahren zum Untersuchen einer Probenoberfläche mit einem Rastersondenmikroskop weist die Schritte auf: (a) Richten zumindest eines ersten Lichtstrahls von zumindest einem ersten Interferometer auf zumindest eine erste reflektierende Fläche, die im Bereich eines freien Endes zumindest eines ersten Cantilevers angeordnet ist, der eine erste Messspitze aufweist; (b) Richten zumindest eines zweiten Lichtstrahls von zumindest einem zweiten Interferometer auf die zumindest eine erste reflektierende Fläche, die im Bereich des freien Endes des zumindest einen Cantilevers angeordnet ist, wobei die zumindest eine erste reflektierende Fläche den zumindest einen ersten Lichtstrahl und den zumindest einen zweiten Lichtstrahl in verschiedene Richtungen reflektiert; und (c) Verwenden des von der zumindest einen ersten reflektierenden Fläche reflektierten zumindest einen ersten Lichtstrahls und des von der zumindest einen ersten reflektierenden Fläche reflektierten zumindest einen zweiten Lichtstrahls zur Untersuchung der Probenoberfläche.
In dieser Anmeldung bezeichnet ein Interferometer die passiven Komponenten eines Interferometers, d.h. ohne eine Lichtquelle und ohne eine auf einem Cantilever angebrachte reflektierende Fläche, die als ein reflektierendes Element für zwei oder mehrere Lichtstrahlen wirkt, die von zwei oder mehr Interferometern herrühren.
Das Verfahren kann den Schritt aufweisen: Scannen einer Probenoberfläche mit der ersten Messspitze des zumindest einen ersten Cantilevers.
Das Verfahren kann ferner den Schritt aufweisen: zumindest abschnittsweises Scannen des zumindest einen ersten Cantilevers über die Probenoberfläche ohne Verwenden einer Rückkopplung mittels zumindest einer ersten Scan-Vorrichtung.
Das Verfahren kann ferner die Schritte aufweisen: (d) gekipptes Einbauen der zumindest einen ersten Messsonde in einen Messkopf eines Rastersondenmikroskops; und (e) Scannens mit gekipptem ersten Cantilever durch die zumindest eine erste Scan-Vorrichtung.
Ferner kann das Verfahren die Schritte aufweisen: (f) Kippen des zumindest einen ersten Cantilevers relativ zur Probenoberfläche durch zumindest eine erste Kippvorrichtung; und (g) Wiederholen des Scannens mit gekipptem ersten Cantilever mit der zumindest einen ersten Scan-Vorrichtung.
Zudem kann das Verfahren den Schritt aufweisen: Korrelieren von Messdaten des Scannens mit und ohne Kippung des zumindest einen ersten Cantilevers.
Darüber hinaus kann das Verfahren die Schritte aufweisen: (h) Ausführen einer Drehung des zumindest einen ersten Cantilevers und einer Probe relativ zueinander; und (i) Wiederholen des Scannens in gekipptem Zustand des zumindest einen ersten Cantilevers über die Probenoberfläche.
Überdies kann das Verfahren den Schritt aufweisen: Korrelieren von Messdaten des Scannens mit und ohne Drehung. Zudem kann das Verfahren den Schritt aufweisen: Korrelieren von Messdaten des Scannens zumindest eines ersten gekippten Cantilevers und des Scannens zumindest eines zweiten gekippten Cantilevers über eine Probenoberfläche, wobei der zumindest eine erste und der zumindest eine zweite Cantilever nicht parallel zueinander angeordnet sind.
In einem anderen Aspekt umfasst ein Computerprogramm Anweisungen, die, wenn sie von einer Vorrichtung nach einem der oben angegebenen Aspekte ausgeführt werden, die Vorrichtung veranlassen, die Verfahrensschritte eines der oben beschriebenen Verfahren auszuführen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das oben ausgeführte Problem durch ein Verfahren zum Anpassen von Scan-Parametern zumindest einer ersten Messsonde eines Rastersondenmikroskops an eine zu untersuchende Probe gelöst. Das Verfahren zum Anpassen von Scan-Parametern zumindest einer ersten Messsonde eines Rastersondenmikroskops an eine zu untersuchende Probe weist die Schritte auf: (a) Erhalten erster Daten einer zu untersuchenden Probe; (b) Bestimmen einer Größe zur Beschreibung einer Kontur zumindest eines Teilbereichs einer Probenoberfläche der zu untersuchenden Probe aus den ersten Daten; und (c) Bestimmen eines Abstands benachbarter Messpunkte der zumindest einen Messsonde des Rastersondenmikroskops aus der bestimmten Größe.
Das Bestimmen der Größe zur Beschreibung der Kontur kann umfassen: Bilden eines oder mehrerer lokaler Gradienten des zumindest einen Teilbereichs der Probenoberoberfläche.
Ferner kann das Bestimmen der Größe zur Beschreibung der Kontur einen gekippten Einbau zumindest eines ersten Cantilevers in einen Messkopf eines Rastersondenmikroskops umfassen. Darüber hinaus kann das Bestimmen der Größe zur Beschreibung der Kontur umfassen: Kippen des zumindest einen ersten Cantilevers, der an seinem freien Ende eine erste Messspitze aufweist, der zumindest einen Messsonde in Abhängigkeit der bestimmten Größe für eine zweite Messung.
Überdies kann das Verfahren umfassen: Bestimmen eines Kippwinkels für den Einbau eines gekippten Cantilevers in einen Messkopf des Rastersondenmikroskops, und/oder Bestimmen eines Kippwinkels für zumindest eine erste Kippvorrichtung in Abhängigkeit der bestimmten Größe.
Ferner kann das Verfahren den Schritt aufweisen: Drehen der zumindest einen Messsonde relativ zur Probe in Abhängigkeit der bestimmten Größe für eine weitere Messung. Zudem kann das Verfahren den Schritt aufweisen: Bestimmen eines Drehwinkels für die zumindest eine Messsonde in Abhängigkeit der bestimmten Größe.
Die zumindest eine Messsonde kann zumindest eine erste Messsonde und zumindest eine zweite Messsonde umfassen, und ferner den Schritt aufweisen: Bestimmen der Messsonde, die zum Scannen über die zu untersuchende Probenoberfläche geeignet ist, aus der bestimmten Größe.
Die ersten Daten können aus einer Datenbank erhalten werden, in der Design-Daten der zu untersuchenden Probe gespeichert sind.
Die ersten Daten können aus einem Scan der zumindest einen Messsonde mit konstantem Abstand benachbarter Messpunkte über die Probenoberfläche erhalten werden. Die ersten Daten können aus einem Scan der zumindest einen ersten Messsonde ohne Kippen des Cantilevers der zumindest einen Messsonde erhalten werden. Ferner können die ersten Daten aus Design-Daten in Kombination mit dem Scan der zumindest einen Messsonde ohne Kippen des Cantilevers bestimmt werden.
Schließlich umfasst in einem weiteren Aspekt ein Computerprogramm Anweisungen, die, wenn sie von einem Computersystem ausgeführt werden, das Computersystem veranlassen, die Verfahrensschritte eines der oben angegebenen Aspekte auszuführen. Das Computersystem kann die Datenverarbeitungsvorrichtung der oben definierten Vorrichtung umfassen.
Figurenliste
In der folgenden detaillierten Beschreibung werden derzeit bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei

1 einen Schnitt durch eine schematische Darstellung einer Messsonde zeigt;
2 eine schematische Darstellung einer Messsonde und eines Lichtzeigersystems nach dem Stand der Technik wiedergibt;
3 im Teilbild A einen Schnitt durch eine schematische Repräsentation eines Objektivs einer Glasplatte und einer Messsonde zeigt und im Teilbild B eine Aufsicht auf den Cantilever der Messsonde des Teilbildes A angibt;
4 im Teilbild A einen schematischen Schnitt durch einige wichtige Komponenten einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wiedergibt und im Teilbild B eine Aufsicht auf einen Cantilever mit einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen reflektierenden Fläche in Form von drei reflektierenden Teilflächen präsentiert;
5 In Teilbild A die Definition des Winkel β und im Teilbild B die Definition des Winkels α veranschaulicht;
6 eine schematische Darstellung einer reflektierenden Fläche darstellt, die in Form eines diffraktiven optischen Elements ausgeführt ist;
7 einen schematischen Schnitt durch ein Liniengitter präsentiert, das so ausgelegt ist, dass unter einem Winkel ν auftreffende Strahlung bei diesem Winkel eine Beugungsordnung aufweist;
8 das Liniengitter der 7 wiedergibt, bei dem Lichtstrahlen unter einem Winkel δ und einem Winkel ν - δ auftreffen und ein Lichtstrahl unter dem Winkel δ reflektiert wird und ein gebeugter Lichtstrahl unter dem Winkel ν + δ auftritt;
9 einen Schnitt durch einen Cantilever angibt, der ein diffraktives optisches Element in Form einer Blaze-Gitter ähnlichen Struktur aufweist;
10 eine schematische Aufsicht auf einen Cantilever darstellt, der eine reflektierende Fläche in der Ausführung zweier um 90° gedrehter Liniengitter aufweist, die um einen Winkel von 45° gegen die Längsachse des Cantilevers gedreht sind, mit einem Brennfleck, der von den drei auftreffenden Lichtstrahlen herrührt;
11 einen schematischen Schnitt durch eine Struktur zum Bestimmen einer kritischen Dimension (CD, Critical Dimension) eines Strukturelements einer Halbleiterstruktur oder einer photolithographischen Maske und deren Abstand von einer Markierung präsentiert;
12 einen schematischen Schnitt durch einen zur Probenoberfläche hin gekippten Cantilever darstellt, der eine erfindungsgemäße reflektierende Fläche aufweist;
13 die 12 mit einem zweiten nicht zur Probenoberfläche hin gekippten Cantilever aufweist;
14 die 12 zeigt mit zwei gekippten Cantilevern in einer antiparallelen Anordnung zeigt;
15 schematisch zwei Scans mit der Konfiguration der 13 (d.h. mit zwei gekippten Cantilevern) über die Struktur der 11 präsentiert;
16 einen schematischen Schnitt durch eine Kalibrierungsvorrichtung zum Bestimmen eines lateralen Versatzes zweier Cantilever wiedergibt;
17 im Teilbild A einen Schnitt durch eine Konfiguration mit vier gekreuzten Cantilevern und im Teilbild B eine Aufsicht auf die vier gekreuzten Cantilever wiedergibt;
18 einen schematischen Schnitt durch eine Vorrichtung zeigt, die eine Kippvorrichtung aufweist;
19 einen schematischen Schnitt eindimensionaler Messpunktdichte einer der Konfigurationen der 13 oder 14 bzw. 17 oder 18 über eine Kontur einer Probe mit sehr steilen, senkrechten und überhängenden Flanken darstellt;
20 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Untersuchen einer Probenoberfläche mit einem Rastersondenmikroskop aufweist; und
21 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Anpassen von Scan-Parametern einer Messsonde eines Rastersondenmikroskops an eine zu untersuchendende Probe präsentiert.

Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
Anhand der 1 bis 3 werden kurz einige Schwierigkeiten herkömmlicher Rastensondenmikroskope angerissen. Im Anschluss daran werden derzeit bevorzugte Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und erfindungsgemäßer Verfahrens genauer erläutert.
Die 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine schematische Darstellung einer Messsonde 100. Die Messsonde 100 umfasst einen Biegebalken, einen Federbalken oder einen Cantilever 110. Ein beispielhafter Cantilever 110 weist eine Länge (x-Richtung) von etwa 20 µm und eine Breite (y-Richtung) von etwa 10 µm auf. Der Cantilever 110 weist eine Oberseite 120 oder eine Vorderseite 120 und eine Unterseite 130 oder eine Rückseite 130 auf. Ein Cantilever 110 kann aus einem halbleitenden Material, beispielsweise Silizium, einem Verbindungshalbleiter, etwa Siliziumnitrid oder einem Metall hergestellt werden.
Am rechten Ende des Cantilevers 110 ist dieser mit einem Befestigungsbereich 180, einer Befestigungsplatte 180 oder einem Handle-Chip 180 verbunden. Der Befestigungsbereich 180 weist in allen drei Raumrichtungen vorzugsweise Abmessungen im Bereich einiger Millimeter auf. Häufig wird der Befestigungsbereich 180 und der Cantilever 110 der Messsonde 100 einstückig hergestellt, so dass der Befestigungsbereich 180 und der Cantilever 110 im Wesentlichen die gleiche Materialzusammensetzung aufweisen. Mit Hilfe des Befestigungsbereichs 180 wird die Messsonde 100 an einer Halterung eines Messkopfes eines Rastersondenmikroskops befestigt (in der 1 nicht dargestellt). Dies kann beispielsweise durch Klemmen erfolgen.
Im Bereich des freien Endes 140 des Cantilevers 110 ist auf der Unterseite 130 des Cantilevers 110 eine Messspitze 150 angebracht. Die Messspitze 150 kann ein integraler Bestandteil des Cantilevers 110 sein. In dieser Ausführungsform sind die Materialzusammensetzungen von Messspitze 150 und Cantilever 110 im Wesentlichen gleich. Die Messspitze 150 kann auch als eigenständige Einheit hergestellt werden und mit dem Cantilever 110 verbunden werden. Ähnlich wie der Cantilever 110 kann die Messspitze 150 aus halbleitendem Material, einem Verbindungshalbleiter oder aus einem Metall oder einer Metalllegierung gefertigt werden.
Am unteren Ende der Messspitze 150 oder an der Spitze 155 der Messspitze 150 kann eine zusätzliche lange dünne Spitze 160 angebracht sein, die im englischen Sprachraum „Whisker“ genannt wird. Nachfolgend wird für die lange dünne Spitze 160 der englische Fachbegriff Whisker verwendet. Ein Whisker 160 kann beispielsweise aus Silizium, Siliziumnitrid, Siliziumcarbid, Siliziumdioxid hergestellt werden und/oder eine Kohlenstoff-Nanoröhre, eine modifizierte Kohlenstoff-Nanoröhre oder eine mit einem Elektronenstrahl abgeschiedene Kohlenstoffstruktur (Electron Beam Deposited (EBD) Carbon) umfassen.
Die Spitze 170 des Whiskers 160 bezeichnet den Ort, der zu bestimmen ist, wenn in dieser Anmeldung von einer Positionsbestimmung einer Messspitze 150 die Rede ist. Falls die Messspitze 150 keinen Whisker 100 aufweist, bezeichnet die Spitze 155 der Messspitze 150 den bei einer Positionsbestimmung der Messspitze 150 zu bestimmenden Ort.
Der Abstand 190 bezeichnet die Distanz der Spitze 155 der Messspitze 150 bzw. die Spitze 170 des Whiskers 160 vom freien Ende 140 des Cantilevers 110. Wie im Kontext der 3 erläutert wird, sollte der Abstand 190 größer sein als die Fleckgröße eines Lichtstrahls, der auf die Oberseite 120 des Cantilevers 110 auftrifft.
Das Diagramm 200 der 2 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch eine Messsonde 210 mit einem Cantilever 110, einem Befestigungsbereich 180 und einer Messspitze 150, die eine Spitze 155 aufweist. Ferner gibt die 2 einen schematischen Längsschnitt durch ein Lichtzeigersystem 220 wieder. Eine Lichtquelle 230 des Lichtzeigersystems 220 strahlt einen Lichtstrahl 240 auf den Bereich 250 der Oberseite 120 des Cantilevers 110 ein, in dem auf der Rückseite 130 des Cantilevers 110 die Messspitze 155 angebracht ist. Der Lichtstrahl 240 wird von der Oberseite 120 des Cantilevers 110 reflektiert und trifft als reflektierter Lichtstrahl 260 auf die Mehrsegment-Photodiode 270. Die Mehrsegment-Photodiode 270 des Lichtzeigersystems 220 kann beispielsweise eine Vier-Quadranten-Photodiode sein.
Die Mehrsegment-Photodiode 270 detektiert eine Änderung der Krümmung des Cantilevers 110, die durch eine Wechselwirkung der Spitze 155 der Messspitze 150 mit einer Probe hervorgerufen wird. Eine Regelung kompensiert die detektierte Änderung der Krümmung des Cantilevers 110 durch Bewegen des Befestigungsbereichs 180 der Messsonde 210 oder durch Bewegen der Probe in vertikaler Richtung, d.h. in z-Richtung (in der 2 nicht gezeigt). Die Wechselwirkung zwischen der Probenoberfläche und der Messspitze 150 wird somit auf indirekte Weise aus der Bewegung der Messsonde 210 oder der Probe ermittelt.
Das Bewegen der Messsonde 210 oder der Probe zum Bestimmen der Position der Messspitze 150 in einer geschlossenen Regelschleife ist ein zeitaufwändiger Prozess. Die Datenaufnahme der Messsonde 210 wird durch die Bandbreite der Regelung, die derzeit im einstelligen kHz-Bereich liegt, limitiert.
Das Teilbild A des Diagramms 300 der 3 zeigt einen schematischen Schnitt durch eine Detektionsanordnung, die - verglichen mit dem Lichtzeigersystem 220 der 2 - eine schnellere Datenaufnahme ermöglicht. In der in der 3 dargestellten Detektionsanordnung wird ein Interferometer zum Bestimmen der Position der Spitze 170 der Messspitze 150 eingesetzt. Aus dem reflektierten Lichtstrahl 330 ermittelt ein Interferometer, das in der 3 nicht gezeigt ist, die z-Position der Spitze 170 der Messspitze 150 der Messsonde 210, deren Befestigungsbereich aus Übersichtlichkeitsgründen in der 3 wie in den nachfolgenden Figuren unterdrückt ist.
Ein Objektiv 310 richtet einen Lichtstrahl 320 auf die Oberseite 120 des freien Endes 140 des Cantilevers 110. Der auf den Cantilever 110 auftreffende Lichtstrahl 320 und der reflektierte Lichtstrahl 330 durchlaufen eine Glasplatte 340, die in dem in dem Diagramm der 3 dargestellten Beispiel, den Vakuumbereich der Messsonde 100 von den Umgebungsbedingungen des Objektivs 310 trennt. Das Teilbild B präsentiert eine Aufsicht auf die Oberseite 120 des Cantilevers 110 der Messsonde 210 und den Brennfleck 350 des auftreffenden Lichtstrahls 320. Wie bereits im Kontext der 1 erwähnt, weist ein Cantilever 110 häufig eine Breite von etwa 10 µm auf. Der auf den Cantilever 110 auftreffende Lichtstrahl weist typischerweise einen Brennfleck-Durchmesser FWHM (Full Width Half Maximum) von einigen Mikrometern, etwa 3 µm auf. Der Abstand des Zentrums des Lichtstrahls vom freien Ende 140 des Cantilevers 110 sollte größer sein als die Hälfte des Durchmessers des Brennflecks, beispielsweise 3 µm für einen Brennfleck-Durchmesser von 3 µm.
Die Bestimmung der z-Position der Messspitze 150 unterliegt nicht der Bandbreitenbeschränkung einer geschlossenen Regelschleife und ist damit schneller und genauer als das in der 2 skizzierte Lichtzeigersystem. Trotz dieser Fortschritte weist die Ermittlung der Position der Messspitze 150 noch immer Verbesserungspotential hinsichtlich Präzision und Geschwindigkeit der Datenaufnahme auf, insbesondere bezüglich der lateralen Position der Messspitze 150.
Die 4 zeigt schematisch einige wesentliche Komponenten eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 400. Das Teilbild A präsentiert einen schematischen Längsschnitt und das Teilbild B stellt eine Aufsicht auf die Oberseite 120 eines Cantilevers 410 einer Messsonde 415 dar. Die Oberseite 120 des Cantilevers 410 weist eine erfindungsgemäße reflektierende Fläche 420 auf. In dem in der 3 dargestellten Beispiel umfasst die reflektierende Fläche 420 eine erste reflektierende Teilfläche 425, eine zweite reflektierende Teilfläche 430 und eine dritte reflektierende Teilfläche 435. Die erste reflektierende Teilfläche 425 ist auf der Oberseite 120 des Cantilevers 410 der Messsonde 415 angeordnet. Die zweite reflektierende 430 und die dritte reflektierende Teilfläche 435 sind um einen Winkel α gegenüber der Längsachse 510 des Cantilevers 410 gedreht angeordnet. Dies ist im Teilbild B der 5 veranschaulicht.
Das Teilbild B der 5 zeigt eine Ausführungsform in der die zweite reflektierende 430 und die dritte reflektierende Teilfläche 435 um den Winkel α=±45 gegen die Längsachse des Cantilevers 410 gedreht sind. Dadurch bleibt die Symmetrie bezüglich der Längsachse 510 des Cantilever 410 gewahrt. Das Teilbild A der 5 definiert den Winkel β. Dieser gibt den Winkel an, gegenüber dem die zweite reflektierende 430 und die dritte reflektierende Teilfläche 435 aus der xy-Ebene in z-Richtung, d.h. zur Normalen der ersten reflektierenden Teilfläche 425, gekippt sind. In dem in der 4 und 5 präsentierten Beispiel gilt: β=45°.
Wieder mit Bezug auf die 4 weisen die erste 425, die zweite 430 und die dritte reflektierende Teilfläche 435 vorzugsweise ein großes Reflexionsvermögen bezüglich der von der Vorrichtung 400 verwendeten Lichtstrahlen auf. Um dies zu erreichen, weisen die reflektierenden Teilflächen 425, 430 und 435 vorzugsweise eine Metallbeschichtung oder eine dielektrische Reflexionsbeschichtung auf, falls die reflektierenden Teilflächen 425, 430 und ggf. 435 nicht metallischen Ursprungs sind.
Auf die erste reflektierende Teilfläche 425 trifft der erste Lichtstrahl 440 und erzeugt einen Brennfleck 442 auf der ersten reflektierenden Teilfläche 425. Von der ersten reflektierenden Teilfläche 425 wird der erste Lichtstrahl 440 reflektiert und durchläuft als reflektierter erster Lichtstrahl 445 das Objektiv 470 und trifft auf den Strahlteiler 402. Der erste Lichtstrahl 440 wird so auf die erste reflektierende Teilfläche justiert, dass sein Zentrum maximaler optischer Intensität über der Spitze 155, 170 der Messspitze 150 liegt.
Der Strahlteiler 402 teilt den reflektierten ersten Lichtstrahl 445 in zwei Lichtstrahlen 446, 447 vorzugsweise mit gleicher Intensität auf. Der Lichtstrahl 446 tritt in das erste Interferometer 475 ein und wird von diesem detektiert. Das generierte Messsignal leitet das Interferometer 475 an die Datenverarbeitungsvorrichtung 495 weiter. Aus dem Messsignal des Interferometers 475 bestimmt die Datenverarbeitungsvorrichtung 495 die z-Position der Spitze 155, 170 der Messspitze 150.
Der Lichtstrahl 447 trifft auf die Vier-Quadranten-Photodiode 490. Die Vier-Quadranten-Photodiode 490 erfüllt zwei Aufgaben. Zum einen dient sie der Justierung des Objektivs 470 bezüglich der reflektierenden Fläche 420 des Cantilevers 410. Zum anderen ermöglicht die Vier-Quadranten-Photodiode 490 das Bestimmen einer Kippung der Messspitze 150 des Cantilevers 410 relativ zur Längsachse 510 des Cantilevers 410 und/oder das Bestimmen einer Torsion oder einer Verwindung des Bereichs des Cantilevers 410, in dem eine erfindungsgemäße reflektierende Fläche 420 angeordnet ist relativ zum Befestigungsbereich 180 des Cantilevers 410 und damit eine Bewegung der Spitze 155, 170 der Messspitze 150 in y-Richtung. In einer Betriebsart eines Rastersondenmikroskops, bei der der Cantilever 410 der Messsonde 415 zu einer Schwingung angeregt ist, kann die Vier-Quadranten-Photodiode 490 zudem benutzt werden, schnell einen Kontakt zwischen der Messspitze 150 und einer Probe anhand einer abnehmenden Modulationsamplitude zu detektieren.
Ein zweiter Lichtstrahl 450 von einem zweiten Interferometer 480 durchläuft ebenfalls das Objektiv 470 und trifft in dem Beispiel der 4 unter einem Winkel von 45° gegen die z-Richtung auf die zweite reflektierende Teilfläche 430 und erzeugt darauf den Brennfleck 452. Der zweite Lichtstrahl 450 wird so auf die zweite reflektierende Teilfläche 430 justiert, dass seine Verlängerung durch die zweite reflektierende Teilfläche 430 auf die Spitze 155, 170 der Messspitze 150 treffen würde.
Der von der zweiten reflektierenden Teilfläche 430 reflektierte Lichtstrahl 455 durchläuft das Objektiv 470 und tritt in das Interferometer 480 ein. Das von dem Interferometer 480 erzeugte Messsignal wird ebenfalls der Datenverarbeitungsvorrichtung 495 zugeleitet. Aus den Messsignalen der beiden Interferometer 480 und 485 ermittelt die Datenverarbeitungsvorrichtung 495 die z-Position und eine laterale Position der Spitze 155, 170 der Messspitze 150. Die laterale Richtung wird von der Ausrichtung der zweiten reflektierenden Teilfläche 430 relativ zur ersten reflektierenden Teilfläche 425 festgelegt. Dies bedeutet, es sind zwei reflektierende Teilflächen 425 und 430 ausreichend, um Position der Spitze 155, 170 der Messspitze 150 bezüglich der z-Richtung und einer lateralen Richtung, d.h. einer Richtung in der x-y Ebene zu bestimmen.
In dem in der 4 dargestellten Beispiel wird ein drittes Interferometer 485 eingesetzt, um einen dritten Lichtstrahl 460 auf die Spitze 170, der Messspitze 150 zu richten. Für die Justierung des dritten Lichtstrahls 460 gelten die oben für den zweiten Lichtstrahl 450 gemachten Ausführungen. In dem Schnitt des Teilbildes A fallen für die gewählten Winkel α und β der beiden Interferometer 480 und 485 bzw. deren auslaufende Lichtstrahlen 450, 455 (d.h. die auf die reflektierenden Teilflächen 430 und 435 auftreffenden Lichtstrahlen 450, 460) und die einlaufenden Lichtstrahlen 460, 465 (d.h. die von den reflektierenden Teilflächen 430, 435 reflektierten Lichtstrahlen 455, 465) zusammen.
Der Lichtstrahl 460 des dritten Interferometers 485 trifft auf die dritte reflektierende Teilfläche 435 und erzeugt den Brennfleck 462. Der von der dritten reflektierenden Teilfläche 435 reflektierte Lichtstrahl 465 durchläuft das Objektiv 470 und wird von dem dritten Interferometer 485 detektiert. Das von dem dritten Interferometer 485 erzeugte Messsignal wird der Datenverarbeitungsvorrichtung 495 zugeführt. Für die in der 4 dargestellte beispielhafte Konfiguration der ersten 425, der zweiten 430 und der dritten reflektierenden Teilfläche 435 mit α=β=45° für die zweite reflektierende Teilfläche 430 und α=-45° und β=+45° für die dritte reflektierende Teilfläche 435 sind die Richtungen der auf die zweite reflektierende 430 und dritte reflektierende Teilfläche 435 auftreffenden Strahlen 450 und 460 gegeben durch: $\vec{B_{450}} = - \frac{1}{2} \cdot \vec{e_{x}} + \frac{1}{2} \cdot \vec{e_{y}} - \frac{1}{\sqrt{2}} \cdot \vec{e_{z}}$
$\vec{B_{460}} = - \frac{1}{2} \cdot \vec{e_{x}} - \frac{1}{2} \cdot \vec{e_{y}} - \frac{1}{\sqrt{2}} \cdot \vec{e_{z}}$
Für die reflektierten Strahlen 455 und 465 kehren sich die Vorzeichen bezüglich der Raumrichtungen um. Aus den Messsignalen der drei Interferometer 475, 480 und 485 kann die Datenverarbeitungsvorrichtung 495 die Position der Spitze 155, 170 der Messspitze 150 in drei Raumrichtungen ermitteln. In der Praxis ist die exakte Justierung der auftreffenden Lichtstrahlen 440, 450 und 460 auf die Messspitze 150 schwierig, was zu Messfehlern, insbesondere beim Bestimmen der lateralen Position der Messspitze 150 führen kann. Diese Problematik kann noch verschärft werden, indem die genaue Positionierung der Messspitze 150 relativ zum Cantilever 410 sowie die Länge der Messspitze 150 nicht exakt bekannt sind.
Wenigstens zwei Maßnahmen können zur Überwindung dieser Schwierigkeiten eingesetzt werden. Zum einen kann die Position der Spitze 155, 170 der Messspitze 150 mit Hilfe einer Kalibrierungsmessung bestimmt werden. Die Justierproblematik kann entschärft werden, indem das Signal der Mehrsegment-Photodiode 490 benutzt wird, um eine Krümmung des Cantilevers 410 in z-Richtung zu bestimmen. Eine Krümmung des Cantilevers 410 führt zu einer Bewegung der Spitze 155, 170 der Messspitze 150 in x-Richtung. Ferner kann der Cantilever 410 durch eine Wechselwirkung mit einer Probenoberfläche eine Verwindung oder eine Torsion erfahren, was zu einer Bewegung der Spitze 155, 170 der Messspitze 150 in y-Richtung führt. Das von der Mehrsegment-Photodiode 490 gelieferte Messsignal kann die Datenverarbeitungsvorrichtung 495 benutzen, um eine Kippung und/oder Torsion des freien Endes 140 des Cantilevers 410 zu ermitteln und beim Bestimmen der lateralen Position der Spitze 155, 170 der Messspitze 150 berücksichtigen.
Das Objektiv 470 weist bevorzugt eine numerische Apertur (NA) im Bereich von 0,7 bis 0,95 auf. Eine große NA des Objektivs 470 schränkt die Strahlführung für die Lichtstrahlen 440, 450 und 460 nur wenig ein. Die NA des Objektivs 470 muss groß genug sein, um die auf die reflektierende Fläche 420 auftreffenden Lichtstrahlen 440, 450, 460 und die reflektierten Lichtstrahlen 445, 455, 465 abbilden zu können. Für einen horizontal angeordneten Cantilever 410 mit zumindest einer zweiten reflektierenden Teilfläche 430, die unter dem Winkel β=45° angeordnet ist, muss das Objektiv 470 mindestens eine NA aufweisen: NA > sin(β) = sin45° = 0,71. Einschließlich einer Reserve für die Divergenz der Lichtstrahlen 440, 445, 450, 455, 460, 465 sollte das Objektiv 470 eine NA von 0,8 oder größer aufweisen. Der nachfolgenden 14 ist zu entnehmen, dass das Kippen des Cantilevers 410 zur Probenoberfläche hin, die benötigte NA des Objektivs 470 verringert.
Als Interferometer 475, 480 und 485 können präzise schnelle Homodyn-Interferometer oder Heterodyn-Interferometer eingesetzt werden. Die Interferometer 475, 480, 485 benutzen günstiger Weise eine Wellenlänge im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums; dadurch wird die Justierung der Vorrichtung 400 erleichtert. Beispielsweise kann als Lichtquelle für die Interferometer 475, 480 und 485 ein Helium-Neon Laser eingesetzt werden, der bei einer Wellenlänge von 633 nm emittiert. Alternativ kann ein frequenzverdoppelter Nd-YAG (Neodym-dotierter Yttrium-Aluminium-Granat) Laser benutzt werden, der bei einer Wellenlänge von 532 nm kohärente Strahlung emittiert.
Anstelle der im Beispiel der 4 dargestellten Vier-Quadranten-Photodiode 490 als Beispiel einer Mehrsegment-Photodiode kann in der Vorrichtung 400 ein Autokollimationsfernrohr oder eine Kombination aus zumindest zwei, besser drei Interferometern eingesetzt werden, um eine Krümmung des Cantilevers 410 und/oder eine Verwindung des Cantilevers 410 zu bestimmen, d.h. ein Bewegen der Spitze 155, 170 der Messspitze 150 in der xy-Ebene zu ermitteln.
Die Datenverarbeitungsvorrichtung 495 weist einen oder mehrere Algorithmen auf, mit deren Hilfe die Datenverarbeitungsvorrichtung 495 aus den Messsignalen der Interferometer 475, 480 und 485 die Position der Spitze 155, 170 der Messspitze 150 berechnet. Der Algorithmus bzw. die Algorithmen können in Hardware, Software, Firmware oder einer Kombination hiervon ausgeführt sein.
Die Herstellung einer reflektierenden Fläche 420 in der Form von zwei reflektierenden 425 und 430 oder drei reflektierenden Teilflächen 425, 430 und 435 ist ein aufwändiger Prozess. Im Folgenden wird deshalb eine alternative Ausführungsform einer reflektierenden Fläche 420 beschrieben. Die 6 präsentiert einen Cantilever 610, dessen reflektierende Fläche 420 eine diffraktive Struktur 620 aufweist.
Die 7 präsentiert eine reflektierende Struktur 420 auf einem Cantilever 610, die als Liniengitter 720 ausgeführt ist. In der 7 wird die Konfiguration veranschaulicht, die ausgelegt ist, dass die auf das Gitter 720 auftreffenden Lichtstrahlen 440, 450, 460 und der von dem Gitter 720 reflektierte Lichtstrahl 445 sowie ein gebeugter Lichtstrahl einer Beugungsordnung im Wesentlichen antiparallel zueinander verlaufen. Dies bedeutet, das Liniengitter 720 erzeugt einen reflektierten Strahl 445 und einen gebeugten Strahl 755, deren Strahlengang durch das Objektiv 470 im Wesentlichen identisch mit dem in der 4 dargestellten Strahlengang ist. In diesem Fall kann eine Messsonde, deren Cantilever 610 eine diffraktive Struktur 620 als reflektierende Fläche 420 aufweist, in einfacher Weise gegenüber einer Messsonde 415 ausgetauscht werden, deren Cantilever 410 eine reflektierende Fläche 420 in der Ausführung zweier reflektierender 425,430 oder dreier reflektierender Teilflächen 425, 430, 435 aufweist. Das Teilbild A der 7 illustriert den in z-Richtung auf das Liniengitter 720 auftreffenden Lichtstrahl 440 und den vom Liniengitter 720 reflektierten Lichtstrahl 445. Der reflektierte Lichtstrahl 445 wird vom Liniengitter 720 reflektiert aber nicht gebeugt.
Wie im Kontext der 4 erläutert, werden die drei auf das Liniengitter 720 auftreffenden Lichtstrahlen 440, 450 und 460 vorteilhafterweise so zueinander justiert, dass sich ihre Verlängerungen - in der 7 durch die gestichelte Linie 780 angedeutet - über das Liniengitter 720 hinaus in der Spitze 155, 170 der Messspitze 150 schneiden. Dadurch werden Abbe-Fehler weitestgehend vermieden.
Das Teilbild B der 7 veranschaulicht die Situation für den zweiten 450 und/oder den dritten auf das Gitter 720 auftreffenden Lichtstrahl 460 für den Einfallswinkel ν. Das Liniengitter 720 weist die Gitterkonstante 730 auf: $d = \frac{λ}{(2 \cdot cos ϑ)},$
wobei λ die Wellenlänge des verwendeten Lichtstrahls 450, 460 bezeichnet. Für einen Einfallswinkel für den Lichtstrahl 450, 460 von ν = 45° ergibt sich für die Gitterkonstante 720: $d = \frac{λ}{\sqrt{2}} .$
Bei Erfüllung dieser Bedingung verlaufen der auf das Liniengitter 720 auftreffende Lichtstrahl 450, 460 und der gebeugte Lichtstrahl 755, 765 der ersten Beugungsordnung (präziser der -1. Beugungsordnung) parallel bzw. antiparallel. Der reflektierte, nicht gebeugte Lichtstrahl 750, 760 wird zur Positionsbestimmung der Spitze 155, 170 der Messspitze 150 nicht benutzt.
Die 8 illustriert die Erzeugung der von dem Liniengitter 720 reflektierten Strahlen 845, 855 und 865 für den Fall, dass der einfallende Lichtstrahl 840 und der reflektierte (nicht gebeugte) Lichtstrahl 845 einen Winkel δ gegen die Gitternormale aufweisen. Der unter dem Winkel ν - δ auf das Gitter 720 auftreffende Lichtstrahl 450, 460 wird unter dem Winkel ν + δ gebeugt. Der reflektierte Strahl 850, 860 wird, wie oben ausgeführt, nicht zur Positionsbestimmung der Spitze 170 der Messspitze 150 des Cantilevers 610 verwendet. Vielmehr wird der unter dem Winkel ν + δ gebeugte Lichtstrahl 855, 865, der analog zur 7 die -1. Beugungsordnung bezeichnet, von dem Interferometer 480, 485 zum Bestimmen der (lateralen) Position der Messspitze 150 bzw. der Spitze 155, 170 der Messspitze 150 benutzt.
Die 9 präsentiert einen Cantilever 610, dessen reflektierende Fläche 420 ähnlich einem Blaze-Gitter 920 ausgeführt ist. Die Beugungseffizienz des Blaze-Gitters 920 ist für die -1. Beugungsordnung optimiert. Indem weniger der auf das Blaze-Gitter 920 auftreffenden optischen Intensität der Lichtstrahlen 450, 460 in den reflektierten Lichtstrahl geht 750, 760 bzw. 850, 860 geht, sammelt das Objektiv 470 weniger nicht genutzte Strahlung auf. Wichtiger ist jedoch, dass die nutzbare Intensität der -1. Beugungsordnung verglichen mit dem in den 7 und 8 dargestellten Liniengitter 720 ansteigt. Mit Hilfe eines Liniengitters 720 bzw. einer Blaze-Gitter ähnlichen Struktur 920 kann die Position der Messspitze 150 in der z-Richtung und einer lateralen Dimension in der xy-Ebene ermittelt werden.
Die 10 zeigt einen Cantilever 610 einer Messsonde 1000, deren reflektierende Fläche 420 ein gekreuztes Liniengitter 1020 aufweist. Die Linien der beiden Liniengitter 1020 stehen in den dem in der 10 dargestellten Beispiel senkrecht aufeinander. Die beiden Linien des gekreuzten Liniengitters 1020 sind gegenüber der Längsachse 510 des Cantilevers um ±45° gedreht. Der einfallende zweite Lichtstrahl 450 und der einfallende dritte Lichtstrahl 460 überlagern sich teilweise auf dem gekreuztem Liniengitter 1020 in dem Brennfleck 442 des ersten senkrecht auftreffenden Lichtstrahls 440, der in der 10 aus Übersichtlichkeitsgründen unterdrückt ist. Ferner ist für die Messsonde 1000 der 10 deren Befestigungsbereich 180 weggelassen.
Falls die Interferometer 475, 480 und ggf. 485 parallele bzw. antiparallele auslaufende 440, 450 und ggf. 460 und einlaufende Lichtstrahlen 445, 455 und ggf. 465 aufweisen, kann der Cantilever 610 der Messsonde 10000 der 10 den Cantilever 410 der Messsonde 415 der 4 ersetzen, ohne großen Justieraufwand zu verursachen.
Es ist jedoch nicht notwendig, dass die beiden Liniengitter in dem gekreuzten Liniengitter 1020 um 90° gegeneinander gedreht sind. Vielmehr ist es ausreichend, wenn die beiden Liniengitter, die das gekreuzte Gitter 1020 bilden, beispielsweise um einen Winkel von 45°, 60° oder 75° gegeneinander gedreht sind. Ferner ist es nicht notwendig, dass die auf das gekreuzte Liniengitter 1020 auftreffenden Lichtstrahlen 440, 450, 460 und der reflektierte 445 und die gebeugten Lichtstrahlen 755, 765 parallel bzw. antiparallel zueinander sind. Ein gekreuztes Liniengitter 1020 kann auch für die in der 8 erläuterte Strahlführung eingesetzt werden. Vorzugsweise werden die Liniengitter des gekreuzten Gitters 1020 in Form von Blaze-Gittern ähnlichen Strukturen 920 ausgeführt.
Die 11 zeigt einen schematischen Schnitt durch eine Struktur 1100, anhand derer der vorteilhafte Einsatz einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 400 erläutert wird. Die Struktur 1000 kann beispielsweise eine Halbleiterstruktur oder eine photolithographische Maske aufweisen. Die Struktur 1100 umfasst ein Substrat 1110 auf dem eine Markierung 1120 angebracht ist. Ferner weist die Struktur 1100 eine Strukturelement 1130 auf, dessen Abmessungen eine kritische Dimension (CD) darstellen und deshalb mit Hilfe eines Rastersondenmikroskops gemessen werden sollen. Der Abstand D₁ bezeichnet die Entfernung des linken Randes des Strukturelements 1130 vom linken Rand der Markierung und der Abstand D₂ beschreibt die Distanz zwischen dem rechten Rand des Strukturelements 1130 und dem rechten Rand der Markierung 1120 der Struktur 1100.
Die 12 zeigt eine Vorrichtung 1200, die das Objektiv 470 der Vorrichtung 400 und einen Cantilever 1210 mit einer Messspitze 150 verwendet. Der Cantilever 1210 weist eine erfindungsgemäße reflektierende Fläche 420 in Form reflektierender Teilflächen 425, 430 bzw. 425, 430, 435 oder einer diffraktiven Struktur 620 in Form eines Liniengitters 720, eines Blaze-Gitters 920 oder in Form eines gekreuzten Liniengitters 1020 auf (in der 12 wie auch in den nachfolgenden Figuren nicht dargestellt). Der Cantilever 1210 ist in dem Beispiel der 12 um einen Winkel von im Wesentlichen 22° gegenüber der Horizontalen in Richtung zur Probenoberfläche hin geneigt. Als vorteilhaft haben sich Kippwinkel im Bereich von 5° bis 45° herausgestellt.
Um einen Cantilever 1210 in einem gekippten Zustand an einem Messkopf eines Rastersondenmikroskops anzubringen, kann die Oberseite des Befestigungsbereichs 180 des Cantilevers eine keilförmige Form aufweisen, so dass der Cantilever 1210 nach Einbau der entsprechenden Messsonde in den Messkopf des Rastersondenmikroskops zur Probenoberfläche hin gekippt ist (in der 12 nicht dargestellt). In einer zweiten Ausführungsform weist die Aufnahme eines Messkopfes eine schräge Einbauposition auf, so dass nach dem Einbau der Messsonde deren Cantilever 1210 zur Probe hin geneigt oder gekippt ist (in der 12 nicht gezeigt). Darüber hinaus ist es in einer weiteren Ausführungsform möglich, eine keilförmige Struktur zusammen mit einer Messsonde in einen Messkopf eines Rastersondenmikroskops einzusetzen. Das letztgenannte Ausführungsbeispiel hat den Vorteil, dass keilförmige Strukturen bereitgehalten werden können, die verschiedene Keilwinkel aufweisen und die angepasst an die zu untersuchende Probe zusammen mit einer Messsonde in einen Messkopf eingesetzt werden können. Dadurch können für den Cantilever 1210 in einfacher Weise verschiedene Kippwinkel realisiert werden (in der 12 nicht wiedergegeben).
Der gekippte oder geneigte Cantilever 1210 kann die Oberflächen des Substrats 1110 des Strukturelements 1130 und der Markierung 1120 reproduzierbar scannen. Der gekippte Cantilever 1210 wird bevorzugt zum Abtasten der im Wesentlichen senkrechten rechten Seitenfläche des Strukturelements 1130 und zum Analysieren der ebenfalls im Wesentlichen senkrechten rechten Seitenwand der Markierung 1120 der Struktur 1100 eingesetzt. Diese Bereiche der Struktur 1100 kann der Cantilever 1210 bzw. dessen Messspitze 150 mit größerer Präzision abtasten als eine Messsonde deren Cantilever nicht gekippt ist.
Zum Scannen der linken Seitenwände des Strukturelements 1130 und der Markierung 1120 wird der Cantilever 1210 im Wesentlichen um 180° bezüglich der Struktur 1100 gedreht. Dies kann durch Drehen der Struktur 1100 um die z-Achse, des Cantilevers 1210 um die z-Achse oder durch eine kombinierte Drehung der Struktur 1100 und des Cantilevers 1210 erreicht werden. Nach der um 180° gedrehten Konfiguration können mit dem Cantilever 1210 die linken Seitenwände des in der 11 dargestellten Strukturelements 1130 und der Markierung 1120 zuverlässig von dem gekippten Cantilever 1210 abgetastet werden. Die Datenverarbeitungsvorrichtung 495 der 4 kann aus den Messdaten der beiden Scans eine realitätsnahe Kontur der Struktur 1100 erzeugen.
Die Vorrichtung 1300 der 13 zeigt die Vorrichtung 1200 der 12 mit einem zweiten Cantilever 410, 610, der ebenfalls eine erfindungsgemäße reflektierende Fläche 420 aufweist. Der zweite Cantilever 410, 610 ist nicht zur Probenoberfläche hin gekippt. Der Cantilever 1210 und der Cantilever 410, 610 weisen in dem in der 13 dargestellten Beispiel eine antiparallele Anordnung auf. Dies ist jedoch für die Funktion der Vorrichtung 1300 nicht notwendig. Vielmehr können die beiden Cantilever 1210 und 410 bzw. 510 einen beliebigen Winkel zueinander einschließen. Bevorzugte Winkel sind 0°, 60°, 90° und 180°.
Die auf die reflektierende Fläche 420 auftreffenden Lichtstrahlen 440, 450 und 460 sind in der 13 angegeben. Der zweite Cantilever 410, 610 erfüllt drei Aufgaben. Zum einen ermöglicht er einen schnellen Überblick-Scan über eine unbekannte Probe. Zum zweiten ermöglicht er eine größere Präzision beim Abtasten der Oberflächen des Substrats 1110, der Markierung 1120 und des Strukturelements 1130, sind doch in diesen Bereichen die Probennormalen und die Messspitze 150 des Cantilevers 410, 610 für die in der 11 dargestellte beispielhafte Struktur 1100 im Wesentlichen parallel. Zum dritten ermöglicht die Messspitze 150 des Cantilevers 410, 610 das Abtasten des Bodens von schmalen tiefen Gräben, die die Messspitze 150 des gekippten Cantilevers 1210 wegen der Kippung nicht erreichen kann.
In einer zweiten Ausführungsform, die in der 13 nicht angegeben ist, kann die zweite Messsonde 1315 durch eine herkömmliche Messsonde 100 ersetzt sein.
Die Vorrichtung 1400 der 14 präsentiert eine Konfiguration, die die Vorrichtung 1200 der 12 und einen zweiten gekippten Cantilever 1410 in einer antiparallelen Konfiguration zum Cantilever 1210 umfasst. Beide gekippte Cantilever 1210 und 1410 weisen erfindungsgemäße reflektierende Flächen 420 auf. Auf die reflektierende Fläche 420 des Cantilevers 1210 treffen die Lichtstrahlen 1240, 1250 und ggf. 1260 und auf die reflektierende Fläche 420 des Cantilevers 1410 treffen die Lichtstrahlen 1440, 1450 und ggf. 1460. Der Vorteil der Vorrichtung 1400 liegt darin, dass eine Drehung zum präzisen Abtasten der linken und der rechten Seitenwände der Markierung 1120 und des Strukturelements 1130 und die damit einhergehenden Probleme mit der Vorrichtung 1400 vermieden oder zumindest deutlich reduziert werden können. Die von den reflektierenden Flächen 420 der Cantilever 1210 und 1410 reflektierten Lichtstrahlen sind aus Übersichtlichkeitsgründen in der 14 unterdrückt.
Wie bereits im Kontext der Diskussion der 13 ausgeführt, ist die eine antiparallele Anordnung der Cantilever 1210 und 1410 für die Funktion der Vorrichtung 1400 nicht zwingend erforderlich. In einem alternativen Ausführungsbeispiel weisen die beiden Cantilever 1210 und 1410 beispielsweise einen Winkel von 90° zueinander aus.
Die 15 gibt Scans 1510 und 1520 der beiden gekippten Cantilever 1210 und 1410 bzw. deren Messspitze 150 samt Whisker 160 über das Substrat 1110, die Markierung 1120 und das Strukturelement 1130 der Struktur 1100 der 11 wieder. Durch das Kippen der Cantilever 1210 und 1410 zur Probenoberfläche bzw. hin zu der zu analysierenden Struktur 1100, wird der Winkel zwischen der lokalen Probennormalen und der Messspitze 150 bzw. des Whiskers 160 auf der Messspitze 150 verkleinert und damit die Genauigkeit beim Abtasten von Strukturen mit steilen Seitenwänden vergrößert. Der Scan 1510 des Cantilevers 1210 mit der Messspitze 150 und dem Whisker 160 kann die rechten Seitenwände der Markierung 1120 und des Strukturelements 1130 präzise und reproduzierbar abtasten, wohingegen das Scannen der linken Seitenwände der Markierung 1120 und des Strukturelements 1130 kaum möglich ist und keine belastbaren Aussagen über diese Teile der Struktur 1100 ermöglicht. Für den Scan 1520 des Whiskers 160 des Cantilevers 1410 vertauschen sich die Aussagen hinsichtlich der linken und rechten Seitenwände der Markierung 1120 und des Strukturelements 1130. Das Kippen eines Cantilevers 1210 bzw. 1410 verbessert das Abtasten der Teile der Struktur 1100 für die die Messspitze 150 oder der Whisker 160 zur Oberfläche hin gekippt ist, verschlechtert aber die Auflösung für die Teile der zu untersuchenden Struktur 1100, deren Winkel zur Probennormale durch das Kippen des Cantilevers 1210, 1410 vergrößert wird.
Aus den Messdaten des Scans 1510 der rechten Seitenwände der Markierung 1120 und des Strukturelements 1130 durch den Cantilever 1210 und des Scans 1520 der linken Seitenwände der Markierung 1120 und des Strukturelements 1130 durch den Cantilever 1410 kann die Datenverarbeitungsvorrichtung 495 ein realitätsnahes Bild der Struktur 1100 erzeugen. Insbesondere können aus den Daten der Scans 1510 und 1520 eines Rastersondenmikroskops über die Struktur 1100 die Breite, die Dicke oder die CD des Strukturelements 1130 sowie dessen Höhe (in der 11 nicht dargestellt) ermittelt werden. Ferner kann aus den gemessenen Abständen D₁ und D₂ der Abstand der Markierung 1120 von dem Strukturelement 1130 berechnet werden. Für die zuletzt genannte Anwendung kann auf eine Kalibrierung des Abstandes der Messspitzen 150 der Cantilever 1210 und 1410 zueinander zu kalibrieren.
Die 16 illustriert einen schematischen Schnitt durch eine Kalibriervorrichtung 1600. Die Kalibriervorrichtung 1600 kann eingesetzt werden, um die Anordnung der Messspitze 150 auf einem Cantilever 410, 610 bzw. 1210, 1410 und Positionierung eines Whiskers 160 auf einer Messspitze 150 zu bestimmen. Ferner kann die Kalibrierungsvorrichtung 1600 benutzt werden, um den Abstand der Spitze 155, 170 der Messspitze 150 von der reflektierenden Fläche 420 des Cantilevers 410, 610, 1210, 1410 zu ermitteln.
Die Vorrichtung 1400 der 14 mit zwei gekippten Cantilevern 1210 und 1410 in einer antiparallelen Anordnung ermöglicht für die zweidimensionale Struktur 1100 der 11 (z.B. in der xz-Ebene) das Vermeiden einer Drehung von Cantilevern 1210 und 1410 bezüglich einer zu untersuchenden Probe. Die in der 17 skizzierte Vorrichtung 1700 erlaubt das präzise Untersuchen einer dreidimensionalen Struktur, ohne dass eine Drehung zwischen den Cantilevern und der Probe auszuführen ist.
Das Teilbild A zeigt einen Schnitt entlang der Linie 1705 für die im Teilbild B angegebene Aufsicht einer kreuzförmigen Anordnung von vier Cantilevern 1210, 1410, 1710 und 1760. Jeder der vier Cantilever 1210, 1410, 1710 und 1760 weist eine reflektierende Fläche 420 auf. Das Teilbild A präsentiert die auf die reflektierende Fläche 420 auftreffenden Lichtstrahlen 1240, 1250 und ggf. 1260 der zwei 475, 480 bzw. drei ersten Interferometer 475, 480, 485 sowie die auf die reflektierende Fläche 420 auftreffenden Lichtstrahlen von zwei bzw. drei zweiten Interferometern. Die zweiten Interferometer sind in der 17 nicht gezeigt.
Das Teilbild B präsentiert den Brennfleck 1242 des vom ersten Interferometer 475 auf den Cantilever 1210 auftreffenden ersten Lichtstrahls 1240. Die Brennflecken 1442, 1742 und 1792 gehören zu den senkrecht auf die reflektierende Fläche 420 auftreffenden Lichtstrahlen 1440, 1740 und 1790. Die beiden letztgenannten Lichtstrahlen sind in der 17 nicht dargestellt. Die in der 17 dargestellte Vorrichtung 1700 weist bis zu zwölf Interferometer auf, die in der 17 nicht gezeigt sind und die eingesetzt werden, um die Positionen der Spitzen 155, 170 der Messspitzen 150 der Cantilever 1210, 1410, 1710 und 1760 zu ermitteln. Wie im Kontext der 4 ausgeführt, kann dies beispielsweise durch die Datenverarbeitungsvorrichtung 495 erfolgen.
Die 18 präsentiert schematisch einen Schnitt durch einen Cantilever 1810, der von einem Aktuator 1800 temporär gekippt oder gebogen wird. Der Cantilever 1810 weist zwei Schichten mit unterschiedlicher Materialzusammensetzung auf (in der 18 nicht dargestellt). Insbesondere weisen die beiden Schichten unterschiedliche (günstiger Weise stark unterschiedliche) thermische Ausdehnungskoeffizienten auf. Ferner weist der Cantilever 1810 eine erfindungsgemäße reflektierende Fläche 420 in Form reflektierender Teilflächen 425, 430 und ggf. 435 oder einer diffraktiven Struktur 620 in Form eines Liniengitters 720, 920 oder zweier gekreuzter Liniengitter 1020 auf. Die reflektierende Fläche 420 wird durch das Objektiv 470 von dem ersten 440, dem zweiten 450 und ggf. von dem dritten Lichtstrahl 460 bestrahlt. Die reflektierten Lichtstrahlen 445, 455 und ggf. 465 sind aus Übersichtlichkeitsgründen unterdrückt.
In dem in der 18 dargestellten Beispiel umfasst der Aktuator 1800 oder die Kippvorrichtung 1800 eine Lichtquelle 1850. Diese kann beispielsweise als Lasersystem oder als eine LED (Light Emitting Diode) ausgeführt sein. Der Lichtstrahl 1860 der Lichtquelle 1850 wird durch das Objektiv 470 auf den Cantilever 1810 nahe des Befestigungsbereichs 180 gelenkt. Die absorbierten Photonen erwärmen den Cantilever 1810 lokal und biegen das freie Ende 140 des Cantilevers 1810 durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der zwei oder mehr Schichten des Cantilevers 1810 in definierter Weise zur Probenoberfläche hin oder von der Probenoberfläche weg. Durch die Intensität des Lichtstrahls 1860 kann die Biegung des Cantilevers 1810 eingestellt werden. Nach Abschalten der Bestrahlung des Cantilevers 1810 durch die Lichtquelle 1850 wird die Biegung des Cantilevers 1810 rückgängig gemacht und das freie Ende 140 und damit die Messspitze 150 kehren in ihren Ausgangszustand zurück. Dies bedeutet, der Cantilever 1810 kann zum Scannen in einem gekippten und einem nicht gekippten Zustand über eine Probe oder die Struktur 1100 der 11 zum Einsatz gebracht werden.
Anstelle einer Lichtquelle 1850 kann eine aktivierbare Kippvorrichtung 1800 ein resistives Element umfassen, das auf einem Cantilever angebracht oder in ihn integriert ist (in der 18 nicht gezeigt). Das resistive Element ermöglicht durch einen einstellbaren Stromfluss durch das resistive Element den Cantilever in reproduzierbarer Weise temporär zu biegen und damit die Messspitze 150 des Cantilevers relativ Längsachse des Cantilevers (der x-Richtung) zu kippen oder biegen. Eine Kippvorrichtung 1800 kann anstelle eines gekippten Cantilevers 1210, 1410, 1710 und 1760 bzw. zusätzlich oder alternativ in die Cantilever 410, 610, 1210, 1410, 1710, 1760 der 12-14 und 17 integriert werden.
Die in der 18 präsentierte Konfiguration kann einen weiteren nicht gekippten Cantilever umfassen (in der 18 nicht dargestellt). Die Position der Messspitze 150 des weiteren Cantilevers kann beispielsweise von einem Lichtzeigersystem 220 und/oder von einem, zwei oder drei Interferometern gemessen werden. Dieser weitere Cantilever kann zum Beispiels eine oder mehrere der oben beschriebenen Aufgaben übernehmen (schneller Übersichts-Scan, Abtasten tiefer Gräben und/oder präzise Messung ebener oder nur wenig geneigter Flächen einer Probe).
Im Kontext der 13 bis 15 wurden einige der Schwierigkeiten diskutiert, die beim Scannen einer Probe mit großem Aspektverhältnis oder steilen, senkrechten oder gar überhängenden Seitenwänden auftreten. Als ein Mittel zur Überwindung bzw. zur drastischen Verringerung dieser Schwierigkeiten wurde das Kippen des Cantilevers 1210, 1410, 1710, 1760 einer Messsonde zur Probenoberfläche hin erläutert. In der 19 wird ein weiterer Aspekt vorgestellt, der ein zuverlässiges Abtasten von steilen Wänden ermöglicht.
Die 19 zeigt einen schematischen Schnitt eines Ausschnitts einer Probe 1900 mit zwei stufenförmigen Erhöhungen 1920 und 1940, die durch einen Graben 1930 getrennt sind. Die beiden Erhöhungen weisen im Wesentlichen ebene Oberflächen 1915 und 1945 auf und die beiden Gräben 1930 und 1955 haben ebenfalls in Wesentlichen ebene Oberflächen 1932 und 1957. Die Erhebung 1920 weist ein steile glatte rechte Seitenwand 1925 auf. Die zweite Erhebung 1940 weist eine steile raue linke Seitenwand 1935 und eine steile, teilweise überhängende rechte Seitenwand 1950 auf. Insgesamt weist die Kontur 1910 und damit die Probenoberfläche 1905 der Probe 1900 eine großes Aspektverhältnis auf.
Das Scannen der Kontur 1910 der Probe 1900 mit einer Messsonde eines Rastersondenmikroskops, deren Messspitze 150 senkrecht zu den Oberflächen 1915, 1932, 1945 und 1957 orientiert ist, liefert im Bereich der Seitenflächen 1925, 1935 und 1950 keine belastbaren Messdaten. Wie im Kontext der 15 erläutert, verbessert das Kippen der Messspitze 150 oder des Whiskers 160 eines Cantilevers 1210 und 1410 vor Ausführen eines Scans 1510 und 1520 die Präzision der Datenaufnahme signifikant.
Typischerweise wird die Kontur 1910 der Probe abgetastet, indem in einem äquidistanten Abstand die Messspitze 150 einer Messsonde mit der Probenoberfläche in Wechselwirkung gebracht wird. Die Präzision der Datenaufnahme eines Rastersondenmikroskops kann deutlich gesteigert werden, indem der Abstand, in dem Messpunkte gesetzt werden, an die zu untersuchende Kontur 1910 der Probe 1900 angepasst wird. Dieses Verfahren kann unabhängig davon angewandt werden, ob der Cantilever 410, 610, 1210, 1410, 1710, 1760, 1810 bezüglich der Oberflächen 1915 und 1945 gekippt oder nicht gekippt ist.
Die 19 veranschaulicht diese Vorgehensweise für zwei gekippte Cantilever, beispielsweise die Cantilever 1210 und 1410 der 14. Die gestrichelten Pfeile 1960 geben die Richtung der Annäherung der Messspitze 150 des Cantilevers 1410 an die Probe 1900 an. Die punktierten Pfeile 1970 symbolisierten den Pfad des Annäherns der Messspitze 150 des Cantilevers 1210 an die Oberfläche 1905 der Probe 1900. Die im Wesentlichen ebenen Oberflächen 1915, 1932, 1945 und 1957 scannt sowohl die Messspitze 150 des Cantilevers 1410 mit großem Abstand 1965 als auch die Messspitze 150 des Cantilevers 1210 mit großem Abstand 1975 zwischen zwei benachbarten Messpunkten. Die Abstände 1965 und 1975 benachbarter Messpunkte für die Cantilever 1210 und 1410 können gleich groß oder verschieden gewählt werden. Ferner können die Abstände für alle im Wesentlichen ebenen Flächen 1915, 1932, 1945 und 1957 gleich oder verschieden gewählt werden. Darüber hinaus können die Abstände der Messpunkte für den Cantilever 1210 oder 1410, dessen Messspitze 150 von der zu untersuchenden Probenoberfläche 1905 weg zeigt, ebenfalls groß gewählt werden, etwa wie der bzw. die Abstände 1965, 1975, mit der die ebenen Oberflächen 1915, 1932, 1945 und 1957 gerastert werden.
In dem Bereich der steilen Seitenwände 1925, 1935, 1950 in der die Messspitze 150 des Cantilevers 1210 oder 1410 zur Probenoberfläche 1905 hinzeigt, wird die eindimensionale Messdatendichte während eines Scans deutlich erhöht. In der 19 ist dies der Fall, wenn der Cantilever 1210 die rechte Seitenwand 1925 der ersten Erhebung 1920 mit der eindimensionalen Messpunktdichte 1985 abtastet. Die rechte Seitenwand 1950 der zweiten Erhebung 1940 kann der Cantilever 1210 mit dem Abstand 1985 benachbarter Messpunkte abtasten oder mit einem ähnlichen Abstand benachbarter Messpunkte. Die linke Seitenwand 1935 der zweiten Erhebung 1940 wird von der Messspitze 150 des Cantilevers 1410 mit einer eindimensionalen Messpunktdichte 1995 abgetastet.
Die Abstände 1985 und 1995 benachbarter Messpunkte der Cantilever 1210 und 1410 können gleich oder verschieden sein. Darüber hinaus können die Abstände benachbarter Messpunkte innerhalb der Seitenwände 1925, 1935 und 1955 variieren oder konstant gewählt werden.
Die Abstände benachbarter Messpunkte können beispielsweise aus den Design-Daten der Probe 1900 ermittelt werden. Aus den Design-Daten kann die Steilheit der Seitenwände 1925, 1935 und 1950 sowie deren Höhe berechnet werden. Aus diesen Daten kann ein Algorithmus, der beispielsweise in der Datenverarbeitungsvorrichtung 495 der Vorrichtung 400 abläuft, die Abstände benachbarter Messpunkte entlang eines Scans 1510, 1520 berechnen. Beispielsweise können aus den Design-Daten die lokalen Gradienten der Kontur 1910 ermittelt werden. Aus den lokalen Gradienten oder aus über einen Bereich gemittelten lokalen Gradienten kann eine eindimensionale Dichte der Messdatenpunkte entlang eines Scans 1510, 1520 berechnet werden.
In einer alternativen Ausführungsform werden die Daten, die zum Bestimmen der ortsabhängigen Abstände 1965, 1975, 1985 und 1995 benötigt werden, aus einem groben Übersicht-Scan oder Überblick-Scan über die Oberfläche 1905 der Probe 1900 aufgenommen. Falls dies in einfacher Weise möglich ist, wird der Übersicht-Scan mit einem nicht gekippten Cantilever 410, 610, 1810 ausgeführt. Ein Übersicht-Scan kann aber auch mit einem oder mehreren gekippten Cantilevern der oben erläuterten Ausführungsbeispiele ausgeführt werden.
Aus den lokalen Gradienten können ferner die bestmöglichen Kippwinkel zum Abtasten der steilen Seitenwände 1925, 1935, 1950 bestimmt werden. Überdies können die bestimmten lokalen Gradienten dafür eingesetzt werden optimale Drehwinkel eines Cantilevers bezüglich der zu untersuchenden Kontur 1910 zu ermitteln.
Die Bestimmung der eindimensionalen Messpunktdichte kann - wie oben erwähnt - in der Datenverarbeitungsvorrichtung 495 der Vorrichtung 400 erfolgen oder extern von der Datenverarbeitungsvorrichtung 495 ausgeführt werden.
Die 20 gibt ein Ablaufdiagramm 2000 eines Verfahrens wieder, das zum Untersuchen einer Probenoberfläche 1905 eingesetzt werden kann, insbesondere einer Oberfläche die ein großes Aspektverhältnis und/oder steile Seitenwände 1925, 1935 und 1950 aufweist. Das Verfahren beginnt bei 2010. Im ersten Schritt 2020 wird zumindest ein erster Lichtstrahl 440 von zumindest einem ersten Interferometer 470 auf zumindest eine erste reflektierende Fläche 420 gerichtet, die im Bereich eines freien Endes 140 zumindest eines ersten Cantilevers 410, 610, 1210, 1410, 1710, 1760, 1810 angeordnet ist, der eine erste Messspitze 150 aufweist. Gleichzeitig wird bei Schritt 2030 zumindest ein zweiter Lichtstrahl 450, 460 von zumindest einem zweiten Interferometer 480, 495 auf die zumindest eine erste reflektierende Fläche 420 gerichtet, die im Bereich des freien Endes 140 des ersten Cantilevers 410, 610, 1210, 1210, 1410, 1710, 1760, 1810 angeordnet ist, wobei die zumindest eine erste reflektierende Fläche 420 den zumindest einen ersten Lichtstrahl 440 und den zumindest einen zweiten Lichtstrahl 450, 460 in verschiedene Richtungen reflektiert. Bei Schritt 2040 werden der von der zumindest einen ersten reflektierenden Fläche 420 reflektierte und der von der zumindest einen ersten reflektierenden Fläche 420 reflektierte zumindest eine zweite Lichtstrahl 450, 460 zur Untersuchung der Probenoberfläche 1905 verwendet. Das Verfahren endet bei Schritt 2050.
Schließlich präsentiert die 21 ein Flussdiagramm 2100 eines Verfahrens, das zum Anpassen von Scan-Parametern zumindest einer Messsonde eines Rastersondenmikroskops an eine zu untersuchende Probe 1900 eingesetzt wird. Das Verfahren beginnt bei Schritt 2110. Bei Schritt 2120 werden erste Daten einer zu untersuchenden Probe 1900 erhalten. Die Daten können aus einer Datenbank erhalten werden, in der die Design-Daten der zu untersuchenden Probe 1900 gespeichert sind. Alternativ oder zusätzlich können erste Daten durch einen Überblick-Scan über den zu untersuchenden Teil einer Probe 1900 erhalten werden. Bei Schritt 2130 wird eine Größe zur Beschreibung einer Oberflächenkontur 1910 zumindest eines Teilbereichs einer Probenoberfläche 1905 der zu untersuchenden Probe 1900 aus den ersten Daten bestimmt. Bei Schritt 2140 wird ein Abstand benachbarter Messpunkte der zumindest einen Messsonde des Rastersondenmikroskops aus der bestimmten Größe bestimmt. Das Verfahren endet bei Schritt 2150.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2012/104625 A1 [0010]
WO 2015/011148 A1 [0010]

Claims

Vorrichtung (400) für ein Rastersondenmikroskop, aufweisend: a. zumindest eine erste Messsonde (415, 1000) mit zumindest einem ersten Cantilever (410, 610, 1210, 1410, 1710, 1760, 1810), dessen freies Ende (140) eine erste Messspitze (150) aufweist; b. zumindest eine erste reflektierende Fläche (420), die im Bereich des freien Endes (140) des zumindest einen ersten Cantilevers (410, 610, 1210, 1410, 1710, 1760, 1810) angeordnet ist und die ausgebildet ist, zumindest zwei Lichtstrahlen (440, 450, 460, 1240, 1250, 1260, 1440, 1450, 1460) in verschiedene Richtungen zu reflektieren; und c. zumindest zwei erste Interferometer (475, 480, 485), die ausgebildet sind, die zumindest zwei von der zumindest einen ersten reflektierenden Fläche reflektierten Lichtstrahlen (445, 455, 465) zur Positionsbestimmung der ersten Messspitze (150) zu verwenden.
Vorrichtung (400) nach Anspruch 1, wobei die zumindest eine erste reflektierende Fläche (420) auf einer der ersten Messspitze (150) gegenüberliegenden Seite des zumindest einen ersten Cantilevers (410, 610, 1210, 1410, 1710, 1760, 1810) angeordnet ist.
Vorrichtung (400) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zumindest eine erste reflektierende Fläche (420) zumindest eine erste reflektierende Teilfläche (425) und zumindest eine zweite reflektierende Teilfläche (430, 435) umfasst, und wobei die erste (425) und die zweite reflektierende Teilfläche (430, 435) nicht in einer Ebene angeordnet sind.
Vorrichtung (400) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die zumindest eine zweite reflektierende Teilfläche (430, 435) um einen Winkel β gegen die zumindest eine erste reflektierende Teilfläche (430, 435) gekippt angeordnet ist, und/oder wobei die zumindest eine zweite reflektierende Teilfläche (430, 435) um einen Winkel α relativ zu einer Längsachse (510) des Cantilevers (410, 1210, 1410, 1710, 1760, 1810) gedreht angeordnet ist.
Vorrichtung (400) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ferner aufweisend: ein Objektiv (470) durch das die zumindest zwei Lichtstrahlen (440, 450, 460, 1240, 1250, 1260, 1440, 1450, 1460), die auf die zumindest eine reflektierende Fläche (420) auftreffen und vorzugsweise auch die zumindest zwei reflektierten Lichtstrahlen (445, 455, 465) hindurchtreten.
Vorrichtung (400) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine erste reflektierende Fläche (420) eine diffraktive Struktur (620) aufweist.
Vorrichtung (400) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die diffraktive Struktur (620) zumindest ein Liniengitter (720) umfasst, und/oder wobei das zumindest eine Liniengitter (720) ein Blaze-Gitter (920) umfasst.
Vorrichtung (400) nach Anspruch 6 oder 7, wobei die diffraktive Struktur (620) zumindest zwei Liniengitter (720) umfasst, die gegeneinander verdreht angeordnet sind.
Vorrichtung (400) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend: eine Mehrsegment-Photodiode (490), die ausgebildet ist, aus einem (445) der zumindest zwei reflektierten Lichtstrahlen (445, 455, 465) eine Kippung der ersten Messspitze (150) des zumindest ersten Cantilevers (410, 610, 1210, 1410, 1710, 1760, 1810) relativ zur Längsachse (510) des Cantilevers (410, 610, 1210, 1410, 1710, 1760, 1810) und/oder eine Verwindung des freien Endes (140) des zumindest einen ersten Cantilevers (410, 610, 1210, 1410, 1710, 1760, 1810) zu detektieren.
Vorrichtung (400) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend: zumindest eine Scan-Vorrichtung, die ausgebildet ist, die zumindest eine erste Messsonde (415, 1000) über eine Probenoberfläche (1905) zu scannen.
Vorrichtung (400) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Scan-Vorrichtung ferner ausgebildet ist, einen lateralen Abstand (1965, 1975, 1985, 1995) benachbarter Messpunkte einer Kontur (1910) der Probenoberfläche (1905) anzupassen.
Vorrichtung (400) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine erste Messsonde (415, 1000) ausgebildet ist, einen zur Probenoberfläche (1905) hin gekippten Einbau der zumindest einen ersten Messsonde (415, 1000) in einen Messkopf des Rastersondenmikroskops zu ermöglichen.
Vorrichtung (400) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ferner aufweisend: a. zumindest eine zweite Messsonde (1315) mit zumindest einem zweiten Cantilever (110, 410, 610, 1210, 1410, 1710, 1760, 1810), dessen freies Ende eine zweite Messspitze (150) aufweist; und b. wobei die zumindest eine erste (415, 1000) und die zumindest eine zweite Messsonde (1315) nicht parallel zueinander angeordnet sind.
Vorrichtung (400) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die zumindest eine erste (415, 1000) und die zumindest eine zweite Messsonde (1315) im Wesentlichen antiparallel oder im Wesentlichen um 90° zueinander verdreht angeordnet sind.
Vorrichtung (400) nach Anspruch 13 oder 14, ferner aufweisend: a. zumindest eine weitere Messsonde (1715, 1765) mit zumindest einem weiteren Cantilever (1710, 1760), dessen freies Ende (140) eine weitere Messspitze (150) aufweist; b. zumindest eine weitere reflektierende Fläche (420), die im Bereich des freien Endes (140) des zumindest einen weiteren Cantilevers (1710, 1760) angeordnet ist und die ausgebildet ist, zumindest zwei Lichtstrahlen (440, 450, 460, 1240, 1250, 1260, 1440, 1450, 1460) in verschiedene Richtungen zu reflektieren; und c. zumindest zwei weitere Interferometer, die ausgebildet sind, die zumindest zwei von der zumindest einen weiteren reflektierenden Fläche reflektierten Lichtstrahlen zur Positionsbestimmung der weiteren Messspitze (150) zu verwenden.
Vorrichtung (400) nach dem vorhergehenden Anspruch, ferner aufweisend: ein Objektiv (470) durch das die zumindest zwei Lichtstrahlen (440, 450, 460, 1240, 1250, 1260), die auf der zumindest einen ersten reflektierenden Fläche (420) auftreffen, die zumindest zwei von der ersten reflektierenden Fläche reflektierten Lichtstrahlen (445, 455, 460), die zumindest zwei Lichtstrahlen (1440, 1450, 1460), die auf die zumindest eine zweite reflektierende Fläche (420) auftreffen, die zumindest zwei von der zweiten reflektierenden Fläche reflektierten Lichtstrahlen, die zumindest zwei Lichtstrahlen, die auf die zumindest eine weitere reflektierende Fläche (420) auftreffen und die zumindest zwei von der weiteren reflektierenden Fläche (420) reflektierten Lichtstrahlen hindurchtreten.
Verfahren zum Untersuchen einer Probenoberfläche (1905) mit einem Rastersondenmikroskop, das Verfahren die Schritte aufweisend: a. Richten zumindest eines ersten Lichtstrahls (440, 1240, 1440) von zumindest einem ersten Interferometer (475) auf zumindest eine erste reflektierende Fläche (420), die im Bereich eines freien Endes (140) zumindest eines ersten Cantilevers (410, 610, 1210, 1410, 1710, 1760, 1810) angeordnet ist, der eine erste Messspitze (150) aufweist; b. Richten zumindest eines zweiten Lichtstrahls (450, 460, 1250, 1260, 1450, 1460) von zumindest einem zweiten Interferometer (480, 485) auf die zumindest eine erste reflektierende Fläche (420), die im Bereich des freien Endes (140) des zumindest einen ersten Cantilevers (410, 610, 1210, 1410, 1710, 1760, 1810) angeordnet ist, wobei die zumindest eine erste reflektierende Fläche (420) den zumindest einen ersten Lichtstrahl (440, 1240, 1440) und den zumindest einen zweiten Lichtstrahl (450, 460, 1250, 1260, 1450, 1460) in verschiedene Richtungen reflektiert; und c. Verwenden des von der zumindest einen ersten reflektierenden Fläche (420) reflektierten zumindest einen ersten Lichtstrahls (445) und des von der zumindest einen ersten reflektierenden Fläche (420) reflektierten zumindest einen zweiten Lichtstrahls (455, 465) zur Untersuchung der Probenoberfläche (1905).
Computerprogramm, das Anweisungen umfasst, die, wenn sie von einer Vorrichtung (400) der Ansprüche 1 bis 16 ausgeführt werden, die Vorrichtung (400) veranlassen, die Verfahrensschritte des Anspruchs 17 auszuführen.
Verfahren zum Anpassen von Scan-Parametern zumindest einer Messsonde (100, 415, 1000) eines Rastersondenmikroskops an eine zu untersuchende Probe (1900), wobei das Verfahren die Schritte aufweist: a. Erhalten erster Daten einer zu untersuchenden Probe (1900); b. Bestimmen einer Größe zur Beschreibung einer Kontur (1910) zumindest eines Teilbereichs einer Probenoberfläche (1905) der zu untersuchenden Probe (1900) aus den ersten Daten; und c. Bestimmen eines Abstands benachbarter Messpunkte der zumindest einen Messsonde (100, 415, 1000) des Rastersondenmikroskops aus der bestimmten Größe.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die zumindest eine Messsonde (100, 415, 1000) zumindest eine erste Messsonde (415, 1000) und zumindest eine zweite Messsonde (100, 415, 1000) umfasst, und ferner den Schritt aufweisend: Bestimmen der Messsonde (100, 415, 1000), die zum Scannen über die zu untersuchende Probenoberfläche (1905) geeignet ist, aus der bestimmten Größe.
Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, wobei die ersten Daten aus einer Datenbank erhalten werden, in der Design-Daten der zu untersuchenden Probe (1900) gespeichert sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19-21, wobei die ersten Daten aus einem Scan der zumindest einen ersten Messsonde (100, 415, 1000) mit konstantem Abstand benachbarter Messpunkte über die Probenoberfläche (1905) erhalten werden.
Computerprogramm, das Anweisungen umfasst, die, wenn sie von einem Computersystem ausgeführt werden, das Computersystem veranlassen, die Verfahrensschritte eines der Ansprüche 19 bis 22 auszuführen.