DE10300988A1

DE10300988A1 - Vorrichtung zur Bestimmung topologischer und elektrischer Eigenschaften eines Probenkörpers

Info

Publication number: DE10300988A1
Application number: DE10300988A
Authority: DE
Inventors: Erwin Dr. Peiner; Ingo Behrens; Lutz Dr. Doering
Original assignee: Bundesrepublik Deutschland; Technische Universitaet Braunschweig
Current assignee: Bundesrepublik Deutschland; Technische Universitaet Braunschweig
Priority date: 2003-01-14
Filing date: 2003-01-14
Publication date: 2004-07-22
Anticipated expiration: 2023-01-15
Also published as: DE10300988B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung topologischer oder elektrischer Eigenschaften eines Probenkörpers, insbesondere Scansonden-Mikroskop, mit einem Sondenkörper (1), der erhaben an einem Träger (2) angeordnet ist. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren bereitzustellen, mit denen sowohl berührend als auch berührungslos die topologischen Eigenschaften eines Probenkörpers ermittelt werden können, ohne dass der Probenkörper elektrisch leitend sein muss. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass an dem Sondenkörper (1) zumindest zwei elektrische Leiter (3, 4) elektrisch voneinander getrennt angeordnet sind und zwischen den Leitern (3, 4) ein elektrisches Feld ausgebildet ist, dessen Potenzialveränderung erfasst wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung topologischer oder elektrischer Eigenschaften eines Probenkörpers mit einem Sondenkörper, der erhaben an einem Träger angeordnet ist. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Scansonden-Mikroskop sowie ein Verfahren zur Bestimmung topologischer oder elektrischer Eigenschaften mit einem solchen Scansonden-Mikroskop. Ebenfalls betrifft die Erfindung einen Sondenkörper als solchen.
Die Aufnahme von Oberflächenprofilen oder aber die Bestimmung topologischer Eigenschaften eines Probenkörpers erfolgt entweder über optische Verfahren oder über antastende Verfahren.
Die bekannten optischen Messverfahren sind relativ genau, schnell und berührungslos und liefern im Ergebnis ein Flächenprofil. Allerdings müssen die Flächen möglichst parallel zur Sichtebene des Messobjektives angeordnet sein, da sich mit zunehmendem Winkel zwischen der Ebene des Messobjektives und der des Messobjektes die Messgenauigkeit verringert. Völlig ausgeschlossen ist die Anwen dung optischer Verfahren, wenn die Messebene rechtwinklig zur Ebene des Messobjektives angeordnet ist.
Weiterhin sind bei der Betrachtung kleiner Bohrungen oder schmaler Kanäle Grenzen durch die Veränderung der Apertur gegeben. Diese Nachteile soll die optische Nahfeldmikroskopie überwinden, bei der eine nanometrische Apertur unmittelbar über der Probenoberfläche als Lichtquelle oder Detektor dient. Die erreichbare Ortsauflösung ist dann nur noch von der Aperturgröße bestimmt.
Die antastenden Verfahren beruhen auf der Aufzeichnung der senkrechten Bewegung eines Tastelementes bezüglich seiner Verschieberichtung. Neben dem Nachteil, dass mit antastenden Verfahren nur linienförmige Höhenprofile zu erzielen sind, besteht der Hauptnachteil darin, dass die Messgenauigkeit von dem Spitzenradius des Sondenelementes abhängig ist. Da die Auflagekraft der Sonde nicht unbegrenzt verringert werden kann, sind mechanische Veränderungen der Oberfläche während des Messvorganges nicht auszuschließen; dies gilt insbesondere für weiche Materialien.
Sehr feine Sonden werden in Kraftmikroskopen benutzt, um atomar aufgelöste Bilder einer Oberfläche zu erzielen. Dabei werden Träger oder „Cantilever" eingesetzt, die beispielsweise in der DE 196 46 120 A1 beschrieben sind. Die Messungen werden entweder berührungslos oder berührend durchgeführt, wobei bei einer berührungslosen Messung zwischen der elektrisch leitfähigen Sondenspitze und dem Prüfkörper eine Spannung angelegt wird. Zwischen der Sondenspitze und Prüfkörper entsteht eine Kapazität, die mit Hilfe einer elektronischen Schaltung ausgewertet und zur Führung des Cantilevers über die Oberflächenkontur benutzt wird. Wichtig bei diesem Verfahren ist die sichere Kontaktierung der beiden Partner. Eine weitere, wichtige Einflussgröße besteht darin, dass die Kapazität zwischen der Sondenspitze des Cantilevers und des Probenkörpers aufgebaut wird. Nachteilig ist der sehr kleine Arbeitsbereich von wenigen Quadratmillimetern lateral und wenigen Mikrometern vertikal. Zudem muß die Probe elektrisch leitfähig sein.
In der DE 197 13 746 A1 ist die Integration eines optischen Wellenleiters in einen Träger eines Rasterkraftmikroskopes beschrieben, der das Licht zu einer transparenten Spitze auf dem Träger führt. Um Streulicht am Ort der Apertur durch den beim Rasterkraftmikroskop üblichen Lichtzeiger zur Topografieregelung zu vermeiden, wird zusätzlich die Integration eines piezoelektrischen Sensors zur Messung der vertikalen Auslenkung des Hebels vorgenommen.
Sowohl die rein optischen als auch die mechanisch antastenden Verfahren sind ungeeignet, topologische Profile in schmalen Gräben oder tiefen Bohrungen bei relativ weichen Materialien aufzunehmen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren bereitzustellen, mit denen sowohl berührend als auch berührungslos die topologischen Eigenschaften eines Probenkörpers ermittelt werden können, ohne dass der Probenkörper elektrisch leitend sein muss.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass an dem Sondenkörper zumindest zwei elektrische Leiter elektrisch voneinander getrennt angeordnet sind und zwischen den Leitern ein elektrisches Feld ausgebildet ist. Bei der Annäherung des Sondenkörpers an den Probenkörper oder aber bei Kontakt des Sondenkörpers mit dem Probenkörper erfolgt eine Potenzialverschiebung des elektrischen Feldes zwischen den Leitern, aufgrund derer die spezifischen Oberflächeneigenschaften wie die Rauigkeit der zu messenden Oberfläche des Probenkörpers ermittelt werden kann. Andere physikalische Eigenschaften, wie z. B. das Reflexionsvermögen oder die Transparenz, bleiben unberücksichtigt und haben somit keinen störenden Einfluss auf das Messergebnis.
Die Vorrichtung und das Verfahren ermöglichen eine berührungslose Messung, ebenso wie eine berührende Messung und liefern zudem eine Einschätzung über weitere elektrische Eigenschaften des Probenkörpers. Da die nebeneinander angeordneten elektrischen Leiter wie ein Kondensator wirken, wirkt eine Veränderung der Topologie des Probenkörpers auf die Kapazität ein, da ein Dielektrikum in Ge stalt von Erhebungen auf dem Probenkörper den Leitern angenähert bzw. in Gestalt von Senken von diesen entfernt wird.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Sondenkörper sich vom Träger weg verjüngend ausgebildet ist und die Leiter an der Mantelfläche des Sondenkörpers dergestalt angeordnet sind, dass die Enden in Richtung auf die Spitze des Sondenkörpers zeigen. Je nach Spitzenwinkel oder Kegelwinkel des Sondenkörpers kann die Änderung der Potenzialwerte qualitativ und quantitativ beeinflusst werden; eine anforderungsoptimierte Gestaltung des Sondenkörpers ist somit leicht möglich, wobei neben der Form auch das Material des Sondenkörpers variiert werden kann.
Der Sondenkörper ist an dem Träger erhaben und zwar insbesondere in Form eines Zylinders, eines Kegels, einer Halbkugel, einer gleichmäßigen oder ungleichmäßigen Pyramide oder deren Stümpfe bzw. Abschnitte oder eine Mischform davon, ausgebildet, wobei die Leiter oder die leitenden Schichten auf der Mantelfläche der Sondenkörperform ausgebildet sind.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Träger oder der Sondenkörper aus Halbleitern oder aus einem Material bestehen, welches einen Halbleiter als Hauptbestandteil enthält. Wichtig bei der Materialwahl ist die Tatsache, dass zwischen den Leitern ein elektrisches Feld ausbildbar ist, so dass die nebeneinander oder gegenüber angeordneten Leiter als Kondensator wirken können. Träger und Sondenkörper können alternativ auch aus Fotolack oder einem anderen Werkstoff bestehen. Ebenfalls ist es vorgesehen, dass der Sondenkörper aus einem Material besteht, das piezoelektrische Eigenschaften aufweist, um bei einer antastenden Messung ein elektrisches Signal aufgrund der Verformung des Sondenkörpers zu erhalten.
Die Leiter sind vorteilhafterweise mit einer Auswerteschaltung verbunden, die eine Potenzialveränderung zwischen den Leitern während der Messung der Oberflächeneigenschaften erfasst. Sofern der Sondenkörper oder der Träger aus einem Material mit piezoelektrischen Eigenschaften besteht oder ein solches Material enthält, ist eine entsprechende Auswerteschaltung mit dem Sondenkörper oder dem Träger verbunden, um den piezoelektrischen Effekt bei einer berührenden Messung zu erfassen und auszuwerten.
Das Verfahren sieht vor, dass der Sondenkörper entlang der Oberfläche des Probenkörpers geführt wird und die Potenzialveränderung zwischen den Leitern erfasst und ausgewertet wird. Eine solche Erfassung der Potenzialveränderung kann entweder bei einer berührenden oder einer berührungslosen Messung der Oberfläche des Probenkörpers erfolgen. Bei einer berührenden Messung wird bei entsprechender Ausbildung des Sondenkörpers der piezoelektrische Effekt zusätzlich zur Potenzialveränderung erfasst und ausgewertet.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
1 – in perspektivischer Ansicht einen Träger mit einem Sondenkörper; sowie
2 – eine vergrößerte Teildarstellung eines Sondenkörpers mit elektrischen Leitern.
In der 1 ist ein als vierseitige Pyramide ausgebildeter Sondenkörper 1 gezeigt, der an einem freien Ende eines Trägers 2 angeordnet ist. Zwei elektrische Leiter 3 und 4 sind auf zwei einander gegenüberliegenden Pyramidenflächen entlang geführt und liegen sich an der Spitze des Sondenkörpers 1 gegenüber. Der Träger 2 wird üblicherweise in eine nicht dargestellte Vorrichtung zur Bestimmung topologischer oder elektrischer Eigenschaften eines Probenkörpers eingespannt, wobei diese Vorrichtung als ein Scansonden-Mikroskop oder Rasterkraftmikroskop ausgebildet ist.
Die beiden elektrischen Leiter 3, 4 sind elektrisch voneinander getrennt angeordnet und bilden zwischen sich ein elektrisches Feld aus, das sich während der Annäherung an einen nicht dargestellten Probenkörper oder bei Kontakt mit dem Probenkörper verändert. Die auftretende Potenzialverschiebung wird erfasst und gemessen und aufgrund der Messwerte können topologische oder elektrische Eigenschaften des Probenkörpers ermittelt werden. Die Anordnung an dem freien Ende des Trägers 2 ermöglicht es, in Bohrungen oder enge Kanäle des Probenkörpers einzudringen und berührend oder berührungslos Messwerte aufzunehmen.
Die Potenzialänderungen werden mit Hilfe einer elektronischen Schaltung ausgewertet und zur Aufnahme von Oberflächenprofilen verarbeitet.
In der 2 ist eine Einzelheit eines Sondenkörpers 1 mit zwei auf der Mantelfläche des Sondenkörpers 1 angeordneten elektrischen Leitern 3 und 4 dargestellt, wobei der Sondenkörper 1 als achteckige, gleichmäßige Pyramide ausgebildet ist.
Alternativ zu den dargestellten Pyramidenformen können beliebige, erhabene Sondenkörperformen eingesetzt werden, insbesondere sich nach oben verjüngende Formen, wie Kegel, Pyramiden oder Halbkugeln. Ebenfalls können zylindrische oder kubische Formen eingesetzt werden, wobei die Änderung der Potenzialwerte sich bei verschiedenen Sondenkörperformen unterschiedlich stark ausprägt. Die Veränderung der Potenzialwerte ist auch abhängig von den verwendeten Materialien der Leiter 3, 4 oder der Sondenkörper 1 bzw. der Träger 2.
In der 2 ist zu erkennen, dass die Enden der elektrischen Leiter 3, 4 einander gegenüberliegen und so auf dem Sondenkörper 1 angeordnet sind, so dass ein elektrischer Kondensator realisiert wird. Die Kapazität des Kondensators wird durch das Design des Leiterzuganges und der Anordnung determiniert.
Alternativ zu der dargestellten Anordnung mit zwei elektrischen Leitern 3, 4 ist es möglich, weitere elektrische Leiter vorzusehen bzw. elektrische Schichten auf dem Sondenkörper 1 anzuordnen.
Die messbare Potenzialverschiebung steht in einem engen Zusammenhang mit der Annäherung an eine weitere, elektrisch nicht verbundene Oberfläche des Probenkörpers und der Topologie des Probenkörpers. Es hat sich herausgestellt, dass ohne zusätzliche Messtechnik das Potenzial, welches sich zu Beginn der Messung einstellt, benutzt werden kann, um weitere elektrische Eigenschaften der zu prüfenden Oberfläche zu charakterisieren, ohne dass die zu prüfende Oberfläche elektrisch leitend sein muss.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung können auch schwer zugängliche Bereiche eines Probenkörpers präzise vermessen werden. Eine sowohl berührende als auch berührungslose Messung ist mit dem Verfahren und der Vorrichtung möglich.

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung topologischer oder elektrischer Eigenschaften eines Probenkörpers, insbesondere Scansonden-Mikroskop, mit einem Sondenkörper (1), der erhaben an einem Träger (2) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Sondenkörper (1) zumindest zwei elektrische Leiter (3, 4) elektrisch voneinander getrennt angeordnet sind und zwischen den Leitern (3, 4) ein elektrisches Feld ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sondenkörper (1) sich vom Träger (2) weg verjüngend ausgebildet ist und die Leiter (3, 4) an der Mantelfläche des Sondenkörpers (1) dergestalt angeordnet sind, dass die Enden in Richtung auf die Spitze des Sondenkörpers (1) zeigen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sondenkörper (1) an dem Träger (2) kegel-, halbkugel- oder pyramidenförmig ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (2) und/oder der Sondenkörper (1) aus einem Material besteht, das einen Halbleiter aufweist, insbesondere einen monokristallinen Halbleiter als Hauptbestandteil enthält oder aus einem solchen besteht.
Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sondenkörper (1) aus einem Material besteht, das piezoelektrische Eigenschaften aufweist.
Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiter (3, 4) mit einer Auswerteschaltung verbunden sind, die eine Potenzialveränderung zwischen den Leitern (3, 4) erfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sondenkörper (1) mit einer Auswerteschaltung verbunden ist, die den piezoelektrischen Effekt erfasst.
Verfahren zur Bestimmung topologischer oder elektrischer Eigenschaften eines Probenkörpers mit einer Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sondenkörper (1) entlang der Oberfläche des Probenkörpers geführt wird und die Potenzialveränderung zwischen den Leitern (3, 4) erfasst und ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Sondenkörper (1) berührungslos über den Probenkörper geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Sondenkörper (1) berührend über den Probenkörper geführt wird. 1 1. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrische Effekt zusätzlich zur Potenzialveränderung ausgewertet wird.
Sondenkörper, der erhaben an einem Träger eines Scansonden-Mikroskopes angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Sondenkörper (1) zumindest zwei elektrische Leiter (3, 4) elektrisch voneinander getrennt angeordnet sind und zwischen den Leitern (3, 4) ein elektrisches Feld ausgebildet ist.