DE10313046A1

DE10313046A1 - Temperaturmesssonde und Temperaturmessvorrichtung

Info

Publication number: DE10313046A1
Application number: DE10313046A
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Takahashi; Yoshiharu Shirakawabe; Tadashi Arai
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Hitachi High Tech Science Corp
Priority date: 2002-03-25
Filing date: 2003-03-24
Publication date: 2003-11-06
Anticipated expiration: 2023-03-25
Also published as: DE10313046B4; US20040028119A1; JP3828030B2; US6932504B2; JP2003279421A

Abstract

Durchführung von Temperaturmessungen auf winziger Skala unter Verwendung von AFM mit hoher Empfindlichkeit und einem hohen Maß an Genauigkeit. Eine den Wärme erzeugenden Abschnitt eines Heizdrahtes, der auf der Hauptfläche eines eine Temperaturmesssonde bildenden frei tragenden Armabschnitt bildende Spitze ist am vorderen Endabschnitt des frei tragenden Armabschnitts angeordnet, und ein Thermoelement ist auf einer auf dem Heizdraht ausgeformten zweiten Isolierschicht über der Spitze angeordnet. Als Ergebnis kann selbst dann, wenn die zum Heizdraht gelieferte elektrische Energie verringert wird, dem Messelement die zur Messung erforderliche Wärmemenge wirksam bereitgestellt werden. Durch Minimieren der zur Probe und dem frei tragenden Arm zu liefernde Wärme kann deshalb die Empfindlichkeit der Messung deutlich verbessert werden.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Temperaturmesssonde zur Messung einer physikalischen Wärmeeigenschaft einer winzigen Zone einer Probenoberfläche und eine Temperaturmessvorrichtung.

2. Beschreibung der zugehörigen Technik

Um eine Wärmeverteilung in einem winzigen Bereich einer Probenoberfläche abbilden zu können, wird beispielsweise eine herkömmliche Temperaturmessung unter Verwendung der Atomkraftmikroskopie (atomic force microscopy - AFM) auf winziger Skala durchgeführt, indem ein elektrisches Element zur Erfassung einer Temperatur am vorderen Ende einer Sonde zur AFM-Messung gebildet und eine Temperatur aus dem erfassten Ausgang gemessen wird.

Als Temperaturmesssonde für eine derartige Aufgabe ist eine Sonde allgemein bekannt, die so aufgebaut ist, dass am vorderen Ende der Sonde ein Thermoelement zur Messung und des Weiteren in der Nähe dieses Thermoelements ein Widerstand zur Erwärmung ausgeformt sind. Diese herkömmliche Temperaturmesssonde wird zur Durchführung einer Temperaturmessung in einem winzigen Bereich einer Probenoberfläche in der Weise verwendet, dass das Thermoelement auf einer konstanten Temperatur gehalten wird, indem ein Strom zur Erwärmung des Widerstandselements angelegt wird, und eine Temperaturänderung aufgrund des Wärmeaustauschs zwischen der Sonde und einer Probe, herbeigeführt durch die Annäherung der Sonde an die Probe, elektrisch detektiert wird.

Bei der oben beschriebenen herkömmlichen Temperaturmesssonde ist es zur Verbesserung der Empfindlichkeit der Temperaturmessung der Probe wünschenswert, dass der Abstand zwischen Thermoelement und Widerstandselement zur Erwärmung so weit wie möglich verringert wird. Da jedoch die Verdrahtungsstruktur des Widerstandselements auf einem frei tragenden Arm der Messsonde so angeordnet werden sollte, dass sie die Verdrahtungsstruktur des Thermoelements nicht berührt, besteht eine Grenze bezüglich der Verringerung des Abstands zwischen den beiden Elementen. Da beide zwangsweise in einem vorgegebenen Abstand verdrahtet werden müssen, besteht also ein Nachteil dergestalt, dass im Falle einer Abstandsvergrößerung die elektrische Leistungsaufnahme am Widerstandselement, die erforderlich ist, um das Thermoelement mit der notwendigen Wärme zu beliefern, zunimmt und außerdem die Oberflächentemperatur der Proben ansteigt, wenn eine große Wärmemenge am Widerstandselement erzeugt wird, so dass die Temperaturmessung nicht mehr korrekt durchgeführt werden kann.

Des Weiteren sind das Thermoelement und das Widerstandselemente zur Erwärmung im Allgemeinen auf dem frei tragenden Arm der Sonde verdrahtet. Deshalb besteht ein weiterer Nachteil darin, dass bei einem hohen Strom zum Widerstandselement die durch dieses erzeugte Wärme das im frei tragenden Arm zu erzeugende Ausmaß der Biegung vergrößert, so dass ein Fehler bezüglich der Information über die Höhe von der Probenoberfläche entsteht.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung erfolgte unter Berücksichtigung der obigen Probleme. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Temperaturmesssonde und einer Temperaturmessvorrichtung, mit denen die oben beschriebenen Probleme der herkömmlichen Technologie gelöst werden können.

Um die oben genannte Aufgabe zu lösen, hat gemäß der vorliegenden Erfindung ein Verdrahtungsabschnitt des frei tragenden Arms der Temperaturmesssonde eine zweilagige Struktur, bei der die beiden Lagen elektrisch voneinander isoliert sind, das Thermoelement und das Widerstandselement zur Erwärmung auf einer anderen Verdrahtungsschicht ausgeformt und das Thermoelement und das Widerstandselement zur Erwärmung so angeordnet sind, dass sie einer im Wesentlichen identischen Stelle auf dem frei tragenden Arm übereinander angeordnet sind.

Die vorliegende Erfindung stellt eine Temperaturmesssonde bereit, bei der ein Messelement zur Temperaturmessung und ein Heizelement zur Erwärmung des vorgenannten Messelements an einem vorderen Endabschnitt eines frei tragenden Arms angeordnet sind, wobei das Messelement und das Heizelement so ausgeformt sind, dass sie auf einer elektrischen Isolierschicht auf einer Hauptfläche übereinanderliegen.

Da das Messelement und das Heizelement so angeordnet sind, dass sie auf einer elektrischen Isolierschicht auf einer Hauptfläche übereinander liegen, können beide zusammen auf der Hauptfläche des frei tragenden Arms an einer für die Messung am besten geeigneten Stellen angeordnet werden. Als Ergebnis kann selbst dann, wenn die zum Heizelement gelieferte elektrische Energie verringert wird, dem Messelement die zur Messung erforderliche Wärmemenge wirksam bereitgestellt werden. Durch Minimieren der zur Probe und dem frei tragenden Arm zu liefernden Wärme kann deshalb die Empfindlichkeit der Messung deutlich verbessert werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung weist die obige Temperaturmesssonde des Weiteren eine Temperaturmesssonde des Selbstdetektionstyps auf, in der ein elektrisches Biegungswandlerelement zur Erfassung des Biegebetrags des frei tragenden Arms an der Sonde ausgeformt ist.

Auf diese Weise kann bei einer Struktur, bei der ein elektrisches Biegungswandlerelement, z. B. einem piezoelektrischen Element, an einer geeigneten Stelle der Sonde zur Erfassung des Betrags der Biegung angeordnet ist, im Vergleich zu einem optischen Fühlhebel, bei dem die externe Energie zur Detektion zum frei tragenden Arm geliefert wird, um dessen Temperatur zu erhöhen, die Anzahl der Elemente zur Temperaturerhöhung des frei tragenden Arms verringert werden, so dass eine Verbesserung der Messgenauigkeit erwartet werden kann.

Außerdem stellt die vorliegende Erfindung eine Temperaturmesssonde bereit, bei der ein Messelement zur Temperaturmessung und ein Heizelement zur Erwärmung des vorgenannten Messelements an einem vorderen Endabschnitt eines frei tragenden Arms angeordnet sind, wobei das Messelement und das Heizelement so ausgeformt sind, dass sie auf einer elektrischen Isolierschicht auf einer Hauptfläche übereinander liegen, und bei der ein Paar der Messelemente an den gegenüberliegenden Enden des Heizelements angeordnet ist. Bei dieser Struktur kann auch eine Temperaturmesssonde des Selbstdetektionstyps konfiguriert werden, wodurch ein elektrisches Biegungswandlerelement zur Erfassung des Biegebetrags des frei tragenden Arms an der Sonde ausgeformt wird.

Gemäß der vorliegenden Erfindung weist außerdem eine Temperaturmessvorrichtung die oben beschriebene Temperaturmesssonde auf und misst die Temperatur einer winzigen Zone einer Probenoberfläche, indem der vordere Endabschnitt der Temperaturmesssonde der zu messenden Probenoberfläche genähert wird.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine perspektivische Außenansicht einer beispielhaften Ausführungsform einer Temperaturmesssonde gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 ist eine perspektivische Schnittansicht entlang der Linie A-A in Fig. 1;

Fig. 3 ist die Ansicht eines auf einer ersten Isolierschicht der in Fig. 2 dargestellten Temperaturmesssonde ausgeformten Heizdrahtes;

Fig. 4 ist eine Draufsicht der in Fig. 2 dargestellten Temperaturmesssonde;

Fig. 5 ist eine Schnittansicht entlang der Linie B-B in Fig. 4;

Fig. 6 ist eine Schnittansicht entlang der Linie C-C in Fig. 4;

Fig. 7 ist eine Draufsicht der Verdrahtungskonstruktion eines Heizdrahtes einer anderen Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 8 ist eine Draufsicht der Verdrahtungskonstruktion eines Thermoelements gemäß der anderen Ausführungsform von Fig. 7; und

Fig. 9 ist eine Draufsicht einer anderen Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Nachstehend wird eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 ist eine perspektivische Außenansicht und zeigt schematisch eine beispielhafte Ausführungsform einer Temperaturmesssonde gemäß der vorliegenden Erfindung. Fig. 2 ist eine perspektivische Schnittansicht entlang der Linie A-A in Fig. 1. Bei einer Temperaturmesssonde 1 sind eine erste Isolierschicht 3 aus Siliziumoxid (SiO₂) auf einer Hauptfläche 21P eines frei tragenden Armabschnitts 21 eines Probenkörpers 2 in Form eines Dünnfilms aus Silizium (Si) und ein Heizdraht 4 aus Chrom (Cr) als Widerstandselement zur Erwärmung in Form eines Filmdrahts auf der ersten Isolierschicht 3 ausgeformt. Des Weiteren kann eine Oberfläche der Hauptfläche 21P als Widerstandselement zur Erwärmung durch Ionenimplantation ausgeformt werden.

Eine zweite Isolierschicht 5 aus Siliziumoxid (SiO₂) ist auf dem Heizdraht 4 ausgeformt. Auf der zweiten Isolierschicht 5 sind dann ein als Messelement zur Erfassung der Temperatur arbeitendes Thermoelement und außerdem ein erster Metallfilmdraht 6 sowie ein zweiter Metallfilmdraht 7 als Verbindung des Thermoelements ausgeformt. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform besteht der ersten Metallfilmdraht 6 aus Chrom (Cr) und der zweite Metallfilmdraht 7 aus Nickel (Ni).

Fig. 3 zeigt eine Verdrahtungskonstruktion eines Heizdrahtes 4, der auf der ersten Isolierschicht 3 ausgeformt ist. Der Heizdraht 4 ist zu einem bestimmten Filmdrahtelement geformt, das relativ schmal ist und entlang einer Umfangskante 21A des frei tragenden Armabschnitts 21 des Probenkörpers 2 verläuft. Außerdem ist ein Ende des Heizdrahtes 4 als ein Anschlussende 4A an einem Sockelteil 22 des Sondenkörpers 2 und das andere Ende des Heizdrahtes 4 als ein Anschlussende 4B am Sockelteil 22 des Sondenkörpers 2 ausgeformt.

Wie später beschrieben wird, werden die Anschlussenden 4A und 4B zu einem Elektrodenpaar verbunden, um den Heizdraht 4 mit einer externen Schaltung zu verbinden.

Fig. 4 ist eine Draufsicht der Temperaturmesssonde 1. In Fig. 4 ist eine Verdrahtungskonstruktion des auf der zweiten Isolierschicht 5 ausgeformten ersten Metallfilmdrahtes 6 und zweiten Metallfilmdrahtes 7 dargestellt. Der erste Metallfilmdraht 6 ist ebenfalls zu einem relativ schmalen Filmdrahtelement geformt und verläuft entlang der Umfangskante 21A des frei tragenden Armabschnitts 21 des Sondenkörpers 2, wobei jedoch der erste Metallfilmdraht 6 innerhalb des Heizdrahtes 4 angeordnet ist (siehe Fig. 3). In der Nähe des vorderen Endabschnitts 21B, dem Messabschnitt des frei tragenden Armabschnitts 21, ist ein vorderer Endabschnitt 6A des ersten Metallfilmdrahtes 6 unmittelbar oberhalb einer Spitze 4C des Heizdrahtes 4 ausgeformt (siehe Fig. 3). Ein hinterer Endabschnitt des ersten Metallfilmdrahtes 6 ist zur Oberfläche des Sockelteils 22 verlängert, so dass ein Elektrodenteil 61 für die elektrische Verbindung mit einer externen Schaltung gebildet wird.

Der zweite Metallfilmdraht 7 ist wie der erste Metallfilmdraht 6 zu einem relativ schmalen Filmdrahtelement geformt und verläuft entlang der Umfangskante 21A des frei tragenden Armabschnitts 21 des Sondenkörpers 2, wobei jedoch der zweite Metallfilmdraht 7 im Innern des Heizdrahtes 4 so angeordnet ist, dass er liniensymmetrisch zum ersten Metallfilmdraht 6 verläuft. Am vorderen Endabschnitts 21A, dem Messabschnitt des frei tragenden Armabschnitts 21, ist ein vorderer Endabschnitt 7A des zweiten Metallfilmdrahtes 7 unmittelbar oberhalb der Spitze 4C des Heizdrahtes 4 ausgeformt (siehe Fig. 3), so dass der vordere Endabschnitt 7A des zweiten Metallfilmdrahtes 7 und der vordere Endabschnitt 6A des ersten Metallfilmdrahtes 6 einander überlappen. Ein hinterer Endabschnitt des zweiten Metallfilmdrahtes 7 ist zur Oberfläche des Sockelteils 22 verlängert, so dass ein Elektrodenteil 71 für die elektrische Verbindung mit der externen Schaltung gebildet wird.

Der erste Metallfilmdraht 6 und der zweite Metallfilmdraht 7 sind also derart auf der zweiten Isolierschicht 5 ausgeformt, so dass der vordere Endabschnitt 7A und der vordere Endabschnitt 6A einander an der Spitze 4C überlappen. Als Ergebnis wird ein Thermoelement 8 durch die Verbindung zwischen dem vorderen Endabschnitt 6A und dem vorderen Endabschnitt 7A gebildet.

Fig. 5 ist eine Schnittansicht entlang der Linie B-B in Fig. 4. Wie aus Fig. 5 ersichtlich ist am vorderen Endabschnitt 21B, dem Messabschnitt des frei tragenden Armabschnitts 21, ein durch die Verbindung zwischen dem vorderen Endabschnitt 6A des ersten Metallfilmdrahtes und dem vorderen Endabschnitt 7A des zweiten Metallfilmdrahtes 7 gebildetes Thermoelement 8 auf der zweiten Isolierschicht 5 unmittelbar über der Spitze 4C des Heizdrahtes 4 angeordnet. Durch Anlegen des Stroms an den Heizdraht 4 ist es demnach möglich, das Thermoelement 8 sehr wirksam auf der zweiten Isolierschicht 5 aufgrund der im Heizdraht 4 erzeugten Wärme zu erwärmen.

In Fig. 4 kennzeichnen die Bezugszeichen 41 und 42 Elektroden. Hier ist die Elektrode 41 mit dem Anschlussende 4A und die Elektrode 42 mit dem Anschlussende 4B elektrisch verbunden.

Fig. 6 zeigt den elektrischen Verbindungszustand zwischen der Elektrode 41 und dem Anschlussende 4A. In Fig. 6 ist der Heizdraht 4 elektrisch über ein Fenster 5A, das auf der zweiten Isolierschicht 5 begrenzt ist, mit dem Anschlussende 4A verbunden. Die elektrische Verbindung zwischen der Elektrode 42 und dem Anschlussende 4B wird auf die gleiche Weise hergestellt.

Da die Temperaturmesssonde 1 wie oben beschrieben aufgebaut ist, wird aufgrund des Widerstands des Heizdrahtes 4 Wärme erzeugt, wenn die Elektroden 41 und 42 mit der externen Heizleistungsversorgungsschaltung verbunden sind und ein Strom an den Heizdraht 4 gelegt wird. Das Thermoelement 8 ist auf der zweiten Isolierschicht 5 über der Spitze 4C des Heizdrahtes 4 angeordnet und wird vom Heizdraht 4 und der zweiten Isolierschicht 5 im elektrisch isolierten Zustand gehalten. Damit ist der Abstand zwischen dem Thermoelement 8 und dem Heizdraht 4 sehr kurz, so dass im Vergleich zum herkömmlichen Fall der an den Heizdraht 4 zum Erwärmen des Thermoelements 8, um dieses in einen für die Messung erforderlichen Zustand zu bringen, anzulegende Strom sehr klein wird. Außerdem kann die Empfindlichkeit der durch das Thermoelement 8 verursachten Temperaturänderung im Vergleich zum herkömmlichen Fall bemerkenswert verbessert werden.

Demzufolge wird der frei tragende Armabschnitt 21 nicht in unerwünschter Weise erwärmt und außerdem wird auch eine sich in der Nähe des frei tragenden Armabschnitts 21 befindende Probe nicht erwärmt, so dass die Temperaturerfassung mit einem hohen Maß an Genauigkeit und hoher Empfindlichkeit erfolgen kann.

Gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform wird ein einziges Thermoelement 8 vom ersten Metallfilmdraht 6 und vom zweiten Metallfilmdraht 7 gebildet, und dieses Thermoelement 8 wird auf der zweiten Isolierschicht 5 unmittelbar oberhalb der Spitze 4C des Heizdrahtes 4 ausgeformt. Die Temperaturmesssonde gemäß der vorliegenden Erfindung ist nicht auf diese Ausführungsform beschränkt.

Nachstehend wird eine andere Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 7 und Fig. 8 beschrieben. Die andere erfindungsgemäße Ausführungsform nach Fig. 7 und 8 unterscheidet sich von der oben beschriebenen dadurch, dass ein Thermoelementenpaar 81 und 82 so angeordnet ist, dass es einen Heizpunkt HP am vorderen Endabschnitt 21B des frei tragenden Armabschnitts 21 sandwichartig umgibt. Die anderen Teile von Fig. 7 und 8, die denen der oben beschriebenen Ausführungsform entsprechen, tragen die gleichen Bezugszeichen.

Im Heizpunkt HP ist die Form der Spitze 4C des Heizdrahtes 4 nicht spitz (winkelig) wie in Fig. 3, sondern C-förmig (mit zwei Winkeln). Der vordere Endabschnitt des zweiten Metallfilmdrahtes 7 ist in gekröpfter Form gebogen, so dass er im Wesentlichen durch einen mittleren Abschnitt des frei tragenden Armabschnitts 21 verläuft. Außerdem ist der vordere Endabschnitt des zweiten Metallfilmdrahtes 7 zum vorderen Endabschnitt 21B verlängert, um sich mit dem vorderen Endabschnitt 6A des ersten Metallfilmdrahtes 6 zu verbinden. Dann wird das erste Thermoelement 81 an der Außenseite der Elektrode 41 ausgeformt, ein dritter Metallfilmdraht 9 aus dem gleichen Material wie der erste Metallfilmdraht 6 wird so angeordnet, dass er zu einem mittleren Abschnitt in axialer Richtung des frei tragenden Armabschnitts 21 geführt wird, und ein vorderer Endabschnitt 9A des dritten Metallfilmdrahtes 9 verbindet sich mit einem gefalteten Abschnitt 7M des zweiten Metallfilmdrahtes 7. Als Ergebnis wird das zweite Thermoelement an der Innenseite der Spitze 4C ausgeformt.

Auf diese Weise werden das erste Thermoelement 81 und das zweite Thermoelement 82 so ausgeformt, dass sie den Heizpunkt HP im Bogen der Spitze 4C sandwichartig umgeben, so dass der Wärme vom Heizpunkt HP gleichmäßig zum ersten und zweiten Thermoelement 81 und 82 geliefert wird. Als Ergebnis kann die Temperaturänderung aufgrund des Wärmeaustauschs zwischen der Probe und dem vorderen Endabschnitt 21B des frei tragenden Armabschnitts 21 mit hoher Empfindlichkeit und einem hohen Maß an Genauigkeit erfasst werden.

Fig. 9 zeigt eine andere Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung. Obwohl eine in Fig. 9 dargestellte Temperaturmesssonde I' der in Fig. 1 dargestellten Temperaturmesssonde 1 ähnlich ist, unterscheidet sich die Temperaturmesssonde 1' von der Temperaturmesssonde 1 darin, dass ein piezoelektrisches Widerstandselement 100 als elektrisches Biegungswandlerelement zum Wandeln des Biegebetrags des frei tragenden Armabschnitts 21 in eine elektrische Ladung am Sockelteil des frei tragenden Armabschnitts 21 der Temperaturmesssonde 1' vorgesehen ist. Die anderen Teile der in Fig. 9 dargestellten Temperaturmesssonde 1', die denen der Temperaturmesssonde 1 entsprechen, tragen die gleichen Bezugszeichen und auf ihre Beschreibung wird verzichtet.

Das piezoelektrische Widerstandselement 100 dient zur elektrischen Detektion des Biegebetrags am Sockelteil des frei tragenden Armabschnitts 21 und ist mit einer externen Biegedetektorschaltung (nicht dargestellt) über ein Elektrodenpaar 101 und 102 verbunden, das am frei tragenden Armabschnitt 21 ausgeformt ist. In diesem Fall ist ein Schlitz 22S im Sockelteil 22 ausgeformt, wie aus der Zeichnung ersichtlich ist. Dadurch ist der Sockelteil des frei tragenden Armabschnitts 21 flexibler als bei der Temperaturmesssonde 1.

Dementsprechend kann bei der Temperaturmessung unter Verwendung von AFM bei einer Biegung des frei tragenden Armabschnitts 21 ein entsprechendes elektrisches Signal vom piezoelektrischen Widerstandselement 100 aufgefangen werden, so dass die Information bezüglich des Abstands zwischen der Probenoberfläche (nicht dargestellt) und dem vorderen Endabschnitt 21B erfasst werden kann, ohne einen Detektor mit optischem Fühlhebel zu verwenden.

Als Ergebnis wird die Strahlung eines Laserstrahls zum vorderen Endabschnitt 218, die bei Verwendung dieser optischen Fühlhebelausführung erforderlich ist, überflüssig. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass die Temperaturmessung ohne Erwärmung des vorderen Endabschnitts 21B durch den Laserstrahl mit einem hohen Maß an Genauigkeit durchgeführt werden kann.

Bei allen oben beschriebenen Ausführungsformen wird die Temperaturmesssonde über eine vorgegebene mechanisch befestigte und gehalterte Vorrichtung in einer Temperaturmesssonden-Positionierstation installiert und eine vorgegebene elektrische Verbindung zwischen der Temperaturmesssonde und einer elektrischen Messeinheit hergestellt. Danach werden eine Probe auf einem gegenüber der Sondenhalterungsstation angeordneten Objektträger und die Temperaturmesssonde einander gegenüberliegend angeordnet und die Temperaturmessung wird auf winziger Skala unter Verwendung von AFM durchgeführt, während die Temperaturmesssonde die Probenoberfläche abtastet. Auf diese Weise werden die Messung der physikalischen Wärmeeigenschaft in der winzigen Zone der Probenoberfläche mit einem hsthen Maß an Genauigkeit und mit hoher Empfindlichkeit und die Abbildung der Wärmeverteilung in der winzigen Zone der Probenoberfläche durchgeführt.

Wie oben beschrieben sind gemäß der vorliegenden Erfindung bei einer Temperaturmesssonde, die ein Messelement zur Temperaturmessung und ein Heizelement zur Erwärmung des Messelements am vorderen Endabschnitt des frei tragenden Arms aufweist, das Messelement und das Heizelement so ausgeformt, dass sie auf einer elektrischen Isolierschicht übereinander liegen, so dass der Verdrahtungsabschnitt auf dem frei tragenden Arm der Temperaturmesssonde eine zweilagige Struktur hat, in der die beiden Schichten gegeneinander elektrisch isoliert sind, wobei das Thermoelement und das Widerstandselement zur Erwärmung auf einer anderen Isolierschicht ausgeformt und so angeordnet sind, dass sie an im Wesentlichen gleicher Stelle des frei tragenden Arms übereinander liegen. Es ist deshalb möglich, beide auf der Hauptfläche des frei tragenden Arms und an einer für die Messung am besten geeigneten Stelle anzuordnen. Als Ergebnis kann selbst dann, wenn die zum Heizelement gelieferte elektrische Energie verringert wird, dem Messelement die zur Messung erforderliche Wärmemenge wirksam bereitgestellt werden. Durch Minimieren der zur Probe und dem frei tragenden Arm zu liefernden Wärme kann deshalb die Empfindlichkeit der Messung deutlich verbessert werden.

Da die obige Temperaturmesssonde des Weiteren eine Temperaturmesssonde des Selbstdetektionstyps aufweist, in der ein elektrisches Biegungswandlerelement zur Erfassung des Biegebetrags des frei tragenden Arms an der Sonde ausgeformt ist, kann im Vergleich zu einer Struktur wie einem optischen Fühlhebel, bei dem die externe Energie zur Detektion zum frei tragenden Arm geliefert wird, um dessen Temperatur zu erhöhen, die Anzahl der Elemente zur Temperaturerhöhung des frei tragenden Arms verringert werden, so dass eine Verbesserung der Messgenauigkeit erwartet werden kann.

Wird außerdem ein Messelementenpaar auf der Hauptfläche des frei tragenden Arms an gegenüberliegenden Seiten des Heizelements vorgesehen, kann die Genauigkeit der Messung noch weiter erhöht werden.

Bei der Temperaturmessvorrichtung, in der die Temperaturmessung auf winziger Skala unter Verwendung von AFM durchgeführt wird, während die Temperaturmesssonde die Probenoberfläche abtastet, erfolgt die Messung der physikalischen Wärmeeigenschaft in der winzigen Zone der Probenoberfläche mit einem hohen Maß an Genauigkeit und mit hoher Empfindlichkeit und die Abbildung der Wärmeverteilung in der winzigen Zone der Probenoberfläche wird mit hoher Genauigkeit und Geschwindigkeit durchgeführt. Liste der Bezugszeichen 1 Temperaturmessonde
2 Sondenkörper
3 erste Isolierschicht
4 Heizdraht
4A Anschlussende
4B Anschlussende
4C Spitze
5 zweite Isolierschicht
5A Fenster
6 erster Metallfilmdraht
6A vorderer Endabschnitt
7 zweiter Metallfilmdraht
7A vorderer Endabschnitt
8 Thermoelement
9 dritter Metallfilmdraht
21 frei tragender Armabschnitt
21A Umfangskante
21B vorderer Endabschnitt
21P Hauptfläche
22 Sockelteil
22S Schlitz
41 Elektrode
42 Elektrode
61 Elektrodenteil
71 Elektrodenteil
81 Thermoelement
82 Thermoelement
100 piezoelektrisches Widerstandselement
HP Heizpunkt

Claims

1. Temperaturmesssonde (1) mit:
einem Messelement zur Messung der Temperatur und
einem Heizelement zur Erwärmung des Messelements, die am vorderen Endabschnitt (21B) eines frei tragenden Arms (21) angeordnet sind,
wobei das Messelement und das Heizelement so ausgeformt sind, dass sie auf einer elektrischen Isolierschicht (5) auf einer Hauptfläche (21P) übereinander angeordnet sind.

2. Temperaturmesssonde nach Anspruch 1, bei der das Heizelement als Metallfilmdraht ausgeformt ist.

3. Temperaturmesssonde nach Anspruch 1, bei der das Heizelement als Ionenimplantationsschicht auf der Hauptfläche (21P) ausgeformt ist.

4. Temperaturmesssonde nach Anspruch 2, bei der die elektrische Isolierschicht (5) auf der Hauptfläche (21P) ausgeformt ist, um den Metallfilmdraht abzudecken.

5. Temperaturmesssonde nach Anspruch 3, bei der die elektrische Isolierschicht (5) auf der Hauptfläche (21P) ausgeformt ist, um den Metallfilmdraht (4) abzudecken.

6. Temperaturmesssonde nach Anspruch 4, bei der das Messelement ein Thermoelement (8) aufweist, das so ausgeformt ist, dass die vorderen Endabschnitte (6A, 7A) eines auf der elektrischen Isolierschicht (5) ausgeformten Metallfilmdrahtpaares (6, 7) übereinander liegen.

7. Temperaturmesssonde nach Anspruch 5, bei der das Messelement ein Thermoelement (8) aufweist, das so ausgeformt ist, dass die vorderen Endabschnitte (6A, 7A) eines auf der elektrischen Isolierschicht (5) ausgeformten Metallfilmdrahtpaares (6, 7) übereinander liegen.

8. Temperaturmesssonde nach Anspruch 1, bei der die Temperaturmesssonde (1) eine Temperaturmesssonde des Selbstdetektionstyps aufweist, bei der ein elektrisches Biegungswandlerelement zur Erfassung des Biegebetrags des frei tragenden Arms (21) an der Sonde ausgeformt ist.

9. Temperaturmesssonde (1) mit:
einem Messelement zur Messung der Temperatur und
einem Heizelement zur Erwärmung des Messelements, die am vorderen Endabschnitt (21B) eines frei tragenden Arms (21) angeordnet sind,
wobei das Messelement und das Heizelement auf der Hauptfläche (21P) des frei tragenden Arms (21) auf einer elektrischen Isolierschicht (5) ausgeformt sind, und das Messelementenpaar das Heizelement sandwichartig umgibt.

10. Temperaturmesssonde nach Anspruch 9, bei der der Abstand jedes Messelements des Messelementenpaares zum Heizelement gleich groß ist.

11. Temperaturmesssonde nach Anspruch 9, bei der das Heizelement als Metallfilmdraht auf der Hauptfläche (21P) ausgeformt ist.

12. Temperaturmesssonde nach Anspruch 11, bei der die elektrische Isolierschicht (5) auf der Hauptfläche (21P) ausgeformt ist, um den Metallfilmdraht abzudecken.

13. Temperaturmesssonde nach Anspruch 12, bei der das Messelement ein Thermoelement (8) aufweist, das so ausgeformt ist, dass die vorderen Endabschnitte (6A, 7A) eines auf der elektrischen Isolierschicht (5) ausgeformten Metallfilmdrahtpaares (6, 7) übereinander liegen.

14. Temperaturmesssonde nach Anspruch 9, bei der die Temperaturmesssonde (1) eine Temperaturmesssonde des Selbstdetektionstyps aufweist, bei der ein elektrisches Biegungswandlerelement zur Erfassung des Biegebetrags des frei tragenden Arms (21) an der Sonde ausgeformt ist.

15. Temperaturmessvorrichtung mit einer Temperaturmesssonde nach Anspruch 1 zur Temperaturmessung einer winzigen Zone einer Probenoberfläche durch Annähern des vorderen Endabschnitts (21B) der Temperaturmesssonde (1) an die zu messende Probenoberfläche.

16. Temperaturmessvorrichtung mit einer Temperaturmesssonde nach Anspruch 9 zur Temperaturmessung einer winzigen Zone einer Probenoberfläche durch Annähern des vorderen Endabschnitts (21B) der Temperaturmesssonde (1) an die zu messende Probenoberfläche.