DE19636232A1 - Meßfühler zur Erzeugung von Oberflächenbildern und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Meßfühler zur Erzeugung von Oberflächenbildern und Verfahren zu dessen Herstellung

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Meßfühler zur Oberflächenbild-Erzeugung und insbeson­ dere Meßfühler, die Atomkraftmikroskopiebilder erzeugen, sowie Verfahren zur Herstellung solcher Meßfühler.
Um die Ausfallarten von Halbleiterbauelementen zu unter­ suchen, ist es sehr vorteilhaft, wenn von der Oberfläche des Halbleiterbauelements Bilder erzeugt werden können. Solche Bilder sind herkömmlicherweise unter Verwendung der Atomkraftmikroskopie (AFM) erzeugt worden. Hierbei wird eine Meßfühlerspitze über die Oberfläche des Halb­ leiterbauelements bewegt, wobei die Topographie der Oberfläche durch ein optisches Signal gemessen wird, das von einem am Meßfühler befestigten Spiegel reflektiert wird. Die Bewegung des Meßfühlers hat eine entsprechende Bewegung des Spiegels zur Folge. Für die Anbringung des Spiegels wird ein isolierendes Epoxid oder eine Isolier­ schicht verwendet, um den Spiegel gegenüber dem AFM- Meßfühler elektrisch zu isolieren. Wegen der thermischen Bedingungen während des Betriebs kann diese Isolierung im Lauf der Zeit durchbrechen, was einen Ausfall des Meßfüh­ lers zur Folge hat. Ein weiteres Problem bei dem Spiegel besteht darin, daß er typischerweise in einem erheblichen Abstand von der Meßfühlerspitze am Meßfühler angebracht ist. Im Ergebnis gibt die Bewegung des Spiegels nicht notwendig die Bewegung des Meßfühlers wieder, wodurch ein Genauigkeitsverlust bei der Messung der Topographie der Oberfläche entsteht.
Neben der AFM ist ein thermisches Bild (TB) der Oberflä­ che des Bauelements bei der Identifizierung heißer Flecke sehr nützlich. Zur Erzeugung eines thermischen Bildes ist der AFM-Meßfühler gemäß einem bereits bekannten Verfahren aus einem Thermoelement gebildet, das die Temperatur der Oberfläche mißt, wenn der Meßfühler bewegt wird. Ein Nachteil besteht jedoch darin, daß die Wärmeenergie des Halbleiterbauelements an den reflektierenden Spiegel übertragen wird, wodurch sowohl im topographischen Bild als auch im Wärmeprofil des Halbleiterbauelements ein Rauschen erzeugt werden kann.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein gegenüber dem beschriebenen Stand der Technik verbesser­ tes Verfahren zum Herstellen eines AFM/TB-Meßfühlers zu schaffen, der die Verwendung eines am Meßfühler ange­ brachten Spiegels nicht erfordert, sowie einen Meßfühler zu schaffen, der einfacher herzustellen ist und zuverläs­ siger als die bisher bekannten Meßfühler zur Oberflächen­ bilderzeugung arbeitet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Meßfühler und durch ein Verfahren zu dessen Herstellung, wie sie in den unabhängigen Ansprüchen definiert sind. Die abhängigen Ansprüche sind auf bevorzugte Ausführungs­ formen der vorliegenden Erfindung gerichtet.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deut­ lich beim Lesen der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, die auf die beigefügten Zeichnungen Bezug nimmt; es zeigen:
Fig. 1 eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Meßfühlers gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 2 eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Meßfühlers gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 1 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht, die einen Atomkraftmikroskopie-Meßfühler (AFM-Meßfühler) 10 gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, der ein Oberflä­ chenbild erzeugen kann. Der Meßfühler 10 kann in Verbin­ dung mit einem Atomkraftmikroskop wie etwa dem von Digi­ tal Instruments Inc., Santa Barbara, Kalifornien, herge­ stellten Instrument "Nanoskop III" verwendet werden, um sowohl ein thermisches Bild als auch ein topographisches Bild der Oberfläche eines Halbleiterbauelements zu erzeu­ gen. Die vorliegende Erfindung bietet eine Verbesserung, indem die thermischen und topographischen Bilder ohne Verwendung eines am Meßfühler montierten Spiegels, wie es für bisher bekannte Meßfühler gelehrt wird, erzeugt werden.
Der Meßfühler 10 enthält ein Thermoelement, das aus einem ersten Materialband 11 und aus einem zweiten Materialband 12 hergestellt ist. Das erste Materialband 11 und das zweite Materialband 12 können aus vielen verschiedenen Materialien wie etwa aus einer Nickel-Chrom-Legierung, einer Nickel-Rhodium-Legierung, einer Platin-Rhodium- Legierung, Platin, Eisen, Kupfer, einer Kupfer-Nickel- Legierung und einer Wolfram-Rhenium-Legierung hergestellt sein. Beispielsweise können das erste Materialband 11 und das zweite Materialband 12 aus "Chromel" und "Alumel", (Warenzeichen der Hoskins Manufacturing Co, Detroit, Michigan) gebildet sein. "Chromel" ist eine Legierung, die ungefähr 90% Nickel und 10% Chrom enthält. "Alumel" ist eine Legierung mit ungefähr 95% Nickel, 2,5% Mangan und 2,5% Aluminium. Vorzugsweise sind das erste Ma­ terialband 11 und das zweite Materialband 12 so beschaf­ fen, daß sie eine Breite von ungefähr 25 µm bis ungefähr 500 µm und eine Dicke von ungefähr 25 µm bis ungefähr 500 µm besitzen.
Für die Herstellung der Thermoelement-Verbindungsstelle 13 werden ein Abschnitt des ersten Materialbands 11 und ein Abschnitt des zweiten Materialbands 12 miteinander in Kontakt gebracht und miteinander verschweißt. Für die Herstellung der Thermoelement-Verbindungsstelle 13 sind das erste Materialband 11 und das zweite Materialband 12 Materialien mit unterschiedlicher Zusammensetzung. Ein Verfahren zum Herstellen der Thermoelement-Verbindungs­ stelle 13 umfaßt beispielsweise den Schritt des Schickens eines elektrischen Stroms durch die Überlappungsab­ schnitte des ersten Materialbandes 11 und des zweiten Materialbandes 12. Anschließend wird eine Meßfühlerspitze 15 unter Verwendung eines Epoxids 14 am Meßfühler 10 befestigt. Die Meßfühlerspitze 15 ist aus einem elek­ trisch isolierenden und wärmeleitenden Material wie etwa Diamant, Kohlenstoff oder Siliciumnitrid hergestellt. Die Meßfühlerspitze 15 wird am Meßfühler 10 in der Weise befestigt, daß wenigstens ein Abschnitt der Meßfühler­ spitze 15 mit der Thermoelement-Verbindungsstelle 13 in Kontakt ist. Dadurch kann die Meßfühlerspitze 15 Daten sowohl bezüglich der Oberflächentemperatur als auch der Oberflächentopographie eines Halbleiterbauelements erzeu­ gen.
Ein erheblicher Vorteil der vorliegenden Erfindung be­ steht darin, daß der Meßfühler 10 aus dünnen Material­ streifen 11 und 12 und nicht aus kreisförmigen Drähten wie bei einigen bisher bekannten Meßfühlern gebildet ist. Da das erste Materialband 11, das zweite Materialband 12 und die Spitze der Thermoelement-Verbindungsstelle 13 eine reflektierende, ebene Oberfläche besitzen, besteht kein Bedarf an einem zusätzlichen reflektierenden Spie­ gel. Um die Bewegung des Meßfühlers 10 zu erfassen, verwendet die vorliegende Erfindung einen Lichtsender, der Lichtstrahlen direkt entweder auf das erste Material­ band 11, auf das zweite Materialband 12 oder auf die Thermoelement-Verbindungsstelle 13 richtet. Während die Meßfühlerspitze 15 der Oberflächentopographie eines Halbleiterbauelements folgt, wird die Bewegung durch einen Lichtdetektor erfaßt, der das von der reflektieren­ den Fläche entweder des ersten Materialbandes 11, des zweiten Materialbandes 12 oder der Thermoelement-Verbin­ dungsstelle 13 ankommende Lichtsignal überwacht. Selbst­ verständlich braucht lediglich ein Teil des ersten Ma­ terialbandes 11 und/oder des zweiten Materialbandes 12 eine flache und reflektierende Oberfläche besitzen. Es ist auch möglich, daß das erste Materialband 11 und das zweite Materialband 12 aus runden oder ungleichmäßig geformten Drähten hergestellt sind, die in einem Ab­ schnitt eine flache Oberfläche besitzen, um Licht von einem Lichtsender zu reflektieren.
Da der Meßfühler 10 nicht die Verwendung eines Spiegels erfordert, besteht keine Gefahr eines Kurzschlusses zwischen dem ersten Materialband 11 und dem zweiten Materialband 12. Die Bewegung der Meßfühlerspitze 15 kann direkt oberhalb oder sehr nahe an der Meßfühlerspitze 15 gemessen werden, wodurch die Genauigkeit des Bildes relativ zu einem System, das die Bewegung anhand eines in einem Abstand von der Meßfühlerspitze angeordneten Spie­ gels mißt, verbessert wird. Die Beseitigung des Spiegels reduziert außerdem das Rauschen und dadurch verbessert weiterhin die Genauigkeit des erzeugten Bildes. Da ferner ein Spiegel nicht länger erforderlich ist, werden die gesamten Herstellungskosten reduziert, ferner kann das Herstellungsverfahren vereinfacht werden.
Nun wird eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Fig. 2 ist eine vergrößerte per­ spektivische Ansicht eines Meßfühlers 20 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Anstelle einer am Meßfühler 10 angebrachten Meßfühlerspitze 15 ist ein Abschnitt der Thermoelement-Verbin­ dungsstelle 13 so gebogen, daß ein Zungenbereich 17 gebildet wird. Der Zungenbereich 17 ist mit einem wärme­ leitenden Material wie etwa Diamant, Kohlenstoff oder Siliciumnitrid beschichtet, um einen beschichteten Be­ reich 18 zu bilden. Der beschichtete Bereich 18 wird dazu verwendet, topographische Messungen der Oberfläche eines Halbleiterbauelements auszuführen. Da der beschichtete Bereich 18 wärmeleitend ist, kann er auch für die Erzeu­ gung eines Wärmepfades zur Thermoelement-Verbindungs­ stelle 13 verwendet werden, wodurch eine thermische Messung der Oberfläche eines Halbleiterbauelements ermög­ licht wird.
Wie oben beschrieben, wird der Zungenbereich 17 durch Biegen lediglich eines Abschnitts der Thermoelement- Verbindungsstelle 13 hergestellt. Selbstverständlich kann der Zungenbereich 17 auch durch Biegen sowohl eines Abschnitts des ersten Materialbands 11 und des zweiten Materialbands 12 als auch der Thermoelement-Verbindungs­ stelle 13 hergestellt werden. Die ebenen Flächen des ersten Materialbandes 11, des zweiten Materialbandes 12 oder der Thermoelement-Verbindungsstelle 13 können dazu verwendet werden, ein optisches Signal von einem Laser­ licht-Sender an einen optischen Detektor zu reflektieren, um das Oberflächenprofil eines Halbleiterbauelements zu bestimmen. In dieser zweiten Ausführungsform weist der beschichtete Bereich 18 weniger Masse als die Meßfühler­ spitze 15 der ersten Ausführungsform auf. Im Ergebnis besitzt der Meßfühler 20 ein verbessertes Ansprechvermö­ gen auf Änderungen der Oberflächentemperatur des Halblei­ terbauelements.
Daraus geht hervor, daß die vorliegende Erfindung verbes­ serte Verfahren zum Herstellen eines Meßfühlers schafft, der thermische und topographische Bilder der Oberfläche eines Halbleiterbauelements erzeugen kann. Da ebene Bänder aus Thermoelement-Material verwendet werden, ist der Bedarf an einem zusätzlichen Spiegel beseitigt. Die Meßfühler der vorliegenden Erfindung können einfacher gefertigt werden und erfordern weniger Elemente, wodurch die gesamten Herstellungskosten reduziert werden. Da ein Spiegel und die mit der Befestigung eines Spiegels am Meßfühler in Verbindung stehenden Komplikationen besei­ tigt sind, schafft die vorliegende Erfindung eine verbes­ serte Genauigkeit in bezug auf ihre topographische Emp­ findlichkeit und eine verbesserte Zuverlässigkeit im Betrieb.

Claims (23)

1. Meßfühler (10) zum Erzeugen von Oberflächenbil­ dern, gekennzeichnet durch
ein erstes Materialband (11), wovon wenigstens ein Abschnitt eine erste ebene Fläche bildet, die reflek­ tierend ist,
ein zweites Materialband (12), das mit dem ersten Materialband (11) eine Thermoelement-Verbindungsstelle (13) bildet, und
eine Meßfühlerspitze (15), die wenigstens unter einem Teil der Thermoelement-Verbindungsstelle (13) liegt.
2. Meßfühler (10) nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Meßfühlerspitze (15) aus einem wärmeleitenden und elektrisch isolierenden Material gebildet ist.
3. Meßfühler (10) nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das wärmeleitende und elektrisch isolierende Material aus der Gruppe gewählt ist, die Diamant, Kohlen­ stoff und Siliciumnitrid enthält.
4. Meßfühler (10) nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das erste Materialband (11) und das zweite Ma­ terialband (12) jeweils eine Breite von ungefähr 25 µm bis ungefähr 500 µm und eine Dicke von ungefähr 25 µm bis ungefähr 500 µm besitzen.
5. Meßfühler (10) nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das erste Materialband (11) und das zweite Ma­ terialband (12) aus Materialien gebildet sind, die wenig­ stens ein Element enthalten, das aus der Gruppe gewählt ist, die Chromel, Alumel, eine Nickel-Chrom-Legierung, eine Nickel-Rhodium-Legierung, eine Platin-Rhodium-Legie­ rung, Platin, Eisen, Kupfer, eine Kupfer-Nickel-Legierung und eine Wolfram-Rhenium-Legierung enthält.
6. Meßfühler (10) nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Thermoelement-Verbindungsstelle (13) eine zweite ebene Fläche aufweist, die reflektierend ist.
7. Meßfühler (20), gekennzeichnet durch
ein erstes Materialband (11), wovon wenigstens ein Abschnitt eine erste ebene Fläche bildet, die reflek­ tierend ist,
ein zweites Materialband (12), das mit dem ersten Materialband (11) eine Thermoelement-Verbindungsstelle (13) bildet,
einen Zungenabschnitt (17), der wenigstens aus einem Teil der Thermoelement-Verbindungsstelle (13) gebildet ist, und
einen beschichteten Bereich (18), der wenigstens auf einem Abschnitt des Zungenbereichs (17) vorhanden ist, derart, daß der beschichtete Bereich (18) und der Zungenbereich (17) gemeinsam eine Meßfühlerspitze bilden.
8. Meßfühler (20) nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die erste ebene Fläche ein Lichtsignal reflek­ tiert, das mit der Bewegung des Meßfühlers (20) gekoppelt ist.
9. Meßfühler (20) nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der beschichtete Bereich (18) ein wärmeleitendes und elektrisch isolierendes Material enthält.
10. Meßfühler (20) nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das wärmeleitende und elektrisch isolierende Material aus der Gruppe gewählt ist, die Diamant, Kohlen­ stoff und Siliciumnitrid enthält.
11. Meßfühler (20) nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das erste Materialband (11) und das zweite Ma­ terialband (12) jeweils eine Breite von ungefähr 25 µm bis ungefähr 500 µm und eine Dicke von ungefähr 25 µm bis ungefähr 500 µm besitzen.
12. Meßfühler (20) nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das erste Materialband (11) und das zweite Ma­ terialband (12) aus Materialien gebildet sind, die wenig­ stens ein Element enthalten, das aus der Gruppe gewählt ist, die Chromel, Alumel, eine Nickel-Chrom-Legierung, eine Nickel-Rhodium-Legierung, eine Platin-Rhodium-Legie­ rung, Platin, Eisen, Kupfer, eine Kupfer-Nickel-Legierung und eine Wolfram-Rhenium-Legierung enthält.
13. Meßfühler (20) nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Thermoelement-Verbindungsstelle (13) eine zweite ebene Fläche besitzt, die ein Lichtsignal von einem Lichtsender an einen Lichtdetektor reflektiert, wobei das reflektierte Lichtsignal mit der Bewegung des Meßfühlers (20) gekoppelt ist.
14. Meßfühler (20), gekennzeichnet durch
eine Thermoelement-Verbindungsstelle (13) mit einer reflektierenden Oberfläche,
einen Zungenbereich (17), der wenigstens aus einem Teil der Thermoelement-Verbindungsstelle (13) gebildet ist, und
einen beschichteten Bereich (18) aus wärmeleiten­ dem und elektrisch isolierenden Material wenigstens auf einem Abschnitt des Zungenbereichs (17), derart, daß der beschichtete Bereich (18) und der Zungenbereich (17) gemeinsam eine Meßfühlerspitze bilden.
15. Meßfühler (20) nach Anspruch 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das wärmeleitende und elektrisch isolierende Material aus der Gruppe gewählt ist, die Diamant, Kohlen­ stoff und Siliciumnitrid enthält.
16. Verfahren zum Herstellen eines Meßfühlers (10), gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
Erzeugen eines ersten Materialbandes (11) und eines zweiten Materialbandes (12), wobei wenigstens ein Abschnitt des ersten Materialbandes (11) eine reflektie­ rende Fläche besitzt,
Verbinden des ersten Materialbandes (11) und des zweiten Materialbandes (12) in der Weise, daß eine Ther­ moelement-Verbindungsstelle (13) gebildet wird, und
Befestigen einer wärmeleitenden Meßfühlerspitze (15) am Meßfühler (10) in der Weise, daß wenigstens ein Abschnitt der wärmeleitenden Meßfühlerspitze (15) mit der Thermoelement-Verbindungsstelle (13) in Kontakt ist.
17. Verfahren zum Herstellen des Meßfühlers (10) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Verbindens des ersten Materialbandes (11) mit dem zweiten Materialband (12) die folgenden Schritte enthält:
Anordnen eines Abschnitts des ersten Materialban­ des (11) in Kontakt mit einem Abschnitt des zweiten Materialbandes (12) und
Schicken eines elektrischen Stroms durch das erste Materialband (11) und durch das zweite Materialband (12), um die Thermoelement-Verbindungsstelle (13) herzu­ stellen.
18. Verfahren zum Herstellen des Meßfühlers (10) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Befestigens der wärmeleitenden Meßfühlerspitze (15) die Verwendung eines Epoxids umfaßt.
19. Verfahren zum Herstellen des Meßfühlers (10) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Materialband (11) und das zweite Ma­ terialband (12) aus Materialien hergestellt sind, die wenigstens ein Element enthalten, das aus der Gruppe gewählt ist, die Chromel, Alumel, eine Nickel-Chrom- Legierung, eine Nickel-Rhodium-Legierung, eine Platin- Rhodium-Legierung, Platin, Eisen, Kupfer, eine Kupfer- Nickel-Legierung und eine Wolfram-Rhenium-Legierung enthält.
20. Verfahren zum Herstellen eines Meßfühlers (20), gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
Erzeugen eines ersten Materialbandes (11) und eines zweiten Materialbandes (12), wobei wenigstens ein Abschnitt des ersten Materialbandes (11) eine reflektie­ rende Fläche aufweist,
Verbinden des ersten Materialbandes (11) und des zweiten Materialbandes (12) in der Weise, daß eine Ther­ moelement-Verbindungsstelle (13) gebildet wird,
Biegen wenigstens eines Abschnitts der Thermoele­ ment-Verbindungsstelle (13), um einen Zungenbereich (17) herzustellen, und
Beschichten wenigstens eines Abschnitts des Zungenbereichs (17) mit einem wärmeleitenden Material (18).
21. Verfahren zum Herstellen des Meßfühlers (20) nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Verbindens des ersten Materialbandes (11) mit dem zweiten Materialband (12) die folgenden Schritte enthält:
Anordnen eines Abschnitts des ersten Materialban­ des (11) in Kontakt mit einem Abschnitt des zweiten Materialbandes (12) und
Schicken eines elektrischen Stroms durch das erste Materialband (11) und durch das zweite Materialband (12), um die Thermoelement-Verbindungsstelle (13) herzu­ stellen.
22. Verfahren zum Herstellen des Meßfühlers (20) nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß im Schritt des Beschichtens des Zungenbereichs (17) mit dem wärmeleitenden Material (18) ein Material verwendet wird, das aus der Gruppe gewählt ist, die Diamant, Kohlenstoff und Siliciumnitrid enthält.
23. Verfahren zum Herstellen des Meßfühlers (20) nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Materialband (11) und das zweite Ma­ terialband (12) aus Materialien hergestellt sind, die wenigstens ein Element enthalten, das aus der Gruppe gewählt ist, die Chromel, Alumel, eine Platin-Rhodium- Legierung, eine Nickel-Chrom-Legierung, eine Nickel- Rhodium-Legierung, Platin, Eisen, Kupfer, eine Kupfer- Nickel-Legierung und eine Wolfram-Rhenium-Legierung enthält.
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