DE19646120C2 - Micromechanical sensor for AFM / STM profilometry - Google Patents
Micromechanical sensor for AFM / STM profilometryInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen mikromechanischen Sensor für die AFM/STM Profilometrie, welcher aus einem Balken mit einer Spitze für die Wechselwirkung mit einer abzutastenden Probenoberfläche an einem Ende und einem Befestigungsblock am anderen Ende besteht.The invention relates to a micromechanical sensor for the AFM / STM Profilometry, which consists of a bar with a Tip for interacting with a sample Sample surface on one end and a mounting block on the the other end.
Das Raster-Tunnelmikroskop (STM, nach englisch scanning tunneling microscope) hat zur Entwicklung von neuen Mikrocharakterisierungsverfahren beigetragen, die auf der Verwendung einer sehr feinen Spitze basieren. Ein solches Verfahren ist die Raster-Kraftmikroskopie (AFM, nach englisch atomic force microscopy).The scanning tunnel microscope (STM, after English scanning tunneling microscope) has been used to develop new ones Micro-characterization processes contributed to the Use a very fine tip based. Such one The method is scanning force microscopy (AFM) atomic force microscopy).
In der ursprünglichen Ausführungsform des AFM beschrieben in G. Binnig, C. F. Quate, Ch. Gerber, 1986, Atomic Force Microscope, Phys. Rev. Lett. 56, 930-933 und in EP-A-0 223 918 tastet ein Sensor bestehend aus einem federähnlichen Balken, der an einem Ende starr befestigt ist und an seinem freien Ende eine Spitze trägt, die Oberfläche eines Gegenstandes zeilenförmig ab. Die durch die Kraft zwischen der Oberfläche des Gegenstandes und der Spitze bewirkte Ablenkung kann mit höchster Genauigkeit gemessen werden.In the original embodiment of the AFM described in G. Binnig, C.F. Quate, Ch. Gerber, 1986, Atomic Force Microscope, Phys. Rev. Lett. 56, 930-933 and in EP-A-0 223 918 probes a sensor consisting of a spring-like bar, which is rigidly attached at one end and at its free The end of a point carries the surface of an object in rows. That by the force between the surface the distraction caused by the object and the tip can be caused by highest accuracy can be measured.
Bisher kommen im wesentlichen zwei verschiedene Spitzentypen zum Einsatz, konische Spitzen und Senkkopfspitzen, wie sie beispielsweise in den europäischen Patenten EP-A-0 413 042, EP-A-0 413 041, EP-A-0 413 040 und EP-A-0 468 071 sowie im IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol. 37, No. 07, July 1994, Seiten 545/546 beschrieben sind.So far there have been two different types of tips for use, conical tips and countersunk tips, like them for example in European patents EP-A-0 413 042, EP-A-0 413 041, EP-A-0 413 040 and EP-A-0 468 071 and in IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol. 37, No. July 07, 1994, Pages 545/546 are described.
Fig. 2a zeigt eine konische Spitze. Mit konischen Spitzen werden hauptsächlich Oberflächenrauhigkeiten sowie Stufenhöhen vermessen. Senkkopfspitzen wie in Fig. 2b dargestellt eignen sich besonders gut zum Vermessen von Strukturen mit senkrechten Seitenflanken, um Breite, Tiefe, Flankenwinkel oder Rauhigkeit der Seitenwände zu messen. Fig. 2a shows a conical tip. Conical tips are mainly used to measure surface roughness and step heights. Countersunk heads as shown in Fig. 2b are particularly suitable for measuring structures with vertical side flanks in order to measure the width, depth, flank angle or roughness of the side walls.
In den meisten Fällen wird zur Herstellung der Spitzen ausschließlich ein einziges Material verwendet, meist einkristallines Silizium. Die in EP-A-0 413 042 beschriebenen Spitzen werden aus abgeschiedenen dünnen Filmen, z. B. aus Siliziumnitrid oder Siliziumcarbid, aufgebaut. Für das Bearbeiten und die Formgebung der Spitzen hat sich einkristallines Silizium als besonders vorteilhaft herausgestellt. Insbesondere die Senkkopfspitzen mit ihren Anforderungen an Höhe, Durchmesser und Überhang lassen sich mit vertretbarem Aufwand nur aus diesem Material herstellen.In most cases it is used to manufacture the tips used only one material, mostly single crystal silicon. Those described in EP-A-0 413 042 Tips are made from deposited thin films, e.g. B. from Silicon nitride or silicon carbide. For the Edit and the shape of the tips has changed single-crystal silicon is particularly advantageous exposed. In particular, the countersunk heads with their Requirements for height, diameter and overhang can be met Manufacture only from this material with reasonable effort.
Allgemein gilt für die zur Messung eingesetzten Spitzen, daß der Spitzendurchmesser kleiner sein muß als die zu vermessende Struktur. Der Schaftdurchmesser einer Senkkopfspitze ist dann nochmals um einiges geringer als der Kopfdurchmesser der Spitze. Länge und Durchmesser des senkrechten Spitzenschaftes bestimmen bei vorgegebenem Material die mechanische laterale Steifigkeit der Spitze.The general rule for the peaks used for the measurement is that the tip diameter must be smaller than the one to be measured Structure. The shaft diameter of a countersunk head is then again much smaller than the head diameter of the Top. Length and diameter of the vertical tip shaft determine the mechanical lateral for a given material Rigidity of the tip.
Ist die Steifigkeit nicht mehr ausreichend, dann haftet bzw. klebt die Spitze während des Abtastens an der Seitenwand der abzutastenden Struktur an dieser, wie dies in Fig. 3 angedeutet ist. Die Spitze läßt sich dann nur schwer wieder von der Seitenwand der Struktur entfernen. Bereits das Verbiegen des Spitzenschafts infolge der anziehenden von der Waals'schen Kräfte zwischen Spitze und Seitenwand führt zu einer Falschmessung. Darüberhinaus sind besonders kleine Senkkopfspitzen auch anfällig gegen Beschädigungen während ihres bestimmungsgemäßen Gebrauchs.If the rigidity is no longer sufficient, the tip sticks or sticks to the side wall of the structure to be scanned during the scanning, as is indicated in FIG. 3. The tip is then difficult to remove from the side wall of the structure. Even the bending of the tip shank as a result of the attractive von der Waals forces between the tip and the side wall leads to an incorrect measurement. In addition, particularly small countersunk tips are also prone to damage during their intended use.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen mikromechanischen Sensor für die AFM/STM Profilometrie bereitzustellen, der ausreichende mechanische Steifigkeit besitzt und der zum Vermessen extrem tiefer und enger Strukturen mit positiven Seitenflankenwinkeln geeignet ist.The invention has for its object a micromechanical sensor for AFM / STM profilometry to provide sufficient mechanical rigidity owns and extremely deep and narrow for measuring Structures with positive side flank angles is suitable.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruch 1.This object is achieved according to the invention by the features of claim 1.
Der mikromechanische Sensor besteht aus einem Balken, an dessen einem Ende sich eine Spitze befindet und an dessen anderem Ende ein Befestigungsblock vorhanden ist. Die Spitze besteht aus einem im wesentlichen konischen Schaft mit einer Senkkopfspitze am Schaftende.The micromechanical sensor consists of a bar on one end of which has a tip and the other the other end there is a mounting block. The summit consists of an essentially conical shaft with a Countersunk head at the end of the shaft.
Mit dem erfindungsgemäßen mikromechanischen Sensor lassen sich nicht nur senkrechte Strukturen vermessen. Aufgrund der geometrischen Form des mikromechanischen Sensors lassen sich Tiefe, Breite sowie das Oberflächenprofil von Strukturen mit positiven Seitenflankenwinkeln exakt vermessen. Ein weiterer Vorteil des mikromechanischen Sensors ist seine im Vergleich zu den bisher eingesetzten Spitzen wirtschaftlichere Herstellbarkeit.The micromechanical sensor according to the invention can be used not only measure vertical structures. Due to the Geometric shape of the micromechanical sensor can be Depth, width and the surface profile of structures with measure positive side flank angles exactly. Another The advantage of the micromechanical sensor is its comparison to the previously used tips more economical Manufacturability.
Besonders vorteilhaft ist es, die Spitze mit einer oder mit mehreren dünnen Schichten zu belegen. Damit können die Steifigkeit des mikromechanischen Sensors verbessert und je nach Bedarf auch die elektrischen oder magnetischen Eigenschaften der Spitze eingestellt werden.It is particularly advantageous to use the tip with or to cover several thin layers. So that can Stiffness of the micromechanical sensor improved and ever if necessary also the electrical or magnetic ones Properties of the tip can be set.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.Further advantageous embodiments are the subclaims refer to.
Im folgenden wird die Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert, von denen zeigen:In the following the invention in connection with the Drawings explained in more detail, of which show:
Fig. 1 einen schematisierten Querschnitt durch die Spitze des erfindungsgemäßen mikromechanischen Sensors Fig. 1 shows a schematic cross section through the tip of the micromechanical sensor according to the invention
Fig. 2a und 2b einen schematisierten Querschnitt durch aus dem Stand der Technik bekannte Spitzen FIGS. 2a and 2b show a schematic cross section through known from the prior art tips
Fig. 3 das Vermessen der Seitenwände einer Struktur mit einer Senkkopfspitze Fig. 3 measuring the side walls of a structure with a countersunk head
Fig. 4 die elektronenmikroskopische Aufnahme der Spitze eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Sensors Fig. 4 shows the electron micrograph of the tip of a micromechanical sensor according to the invention
Fig. 5 einen schematisierten Querschnitt durch die mit zwei dünnen Schichten belegte Spitze des mikromechanischen Sensors Figure 5 is a schematic cross-section occupied by the thin tip with two layers of the micromechanical sensor.
Fig. 6 einen schematisierten Querschnitt durch eine Spitze, deren ursprüngliches Siliziummaterial nach dem Belegen mit einer oder mehreren dünnen Schichten und anschließender chemischer Reaktion in ein anderes Material umgewandelt wurde. Fig. 6 is a schematic cross section through a tip, the original silicon material after covering with one or more thin layers and subsequent chemical reaction has been transformed into another material.
Der schematisierte Querschnitt in Fig. 1 zeigt die Spitze 1 des erfindungsgemäßen mikromechanischen Sensors sowie einen Teil des Balken 2, der die Spitze trägt. Die Spitze 1 besteht aus einem im wesentlichen konischen Schaft 1a und einer Senkkopfspitze 1b am Schaftende. Die Seitenflanken des im wesentlichen konischen Schafts 1a weisen positive Seitenflankenwinkel auf, die in der Größenordnung von ungefähr 75° bis ungefähr 89° liegen.The schematic cross section in FIG. 1 shows the tip 1 of the micromechanical sensor according to the invention and a part of the bar 2 which carries the tip. The tip 1 consists of an essentially conical shaft 1 a and a countersunk head 1 b at the shaft end. The side flanks of the substantially conical shaft 1 a have positive side flank angles which are of the order of magnitude from approximately 75 ° to approximately 89 °.
Da eine Vielzahl von Strukturen im Mikrobereich ebenfalls nicht senkrechte Wände sondern Wände mit positiven Seitenflankenwinkeln hat, eignet sich die erfindungsgemäße Spitzenform mit der Senkkopfspitze 1b am Schaftende hervorragend zum eindeutigen Abtasten und Vermessen solcher Strukturen.Since a large number of structures in the micro range likewise do not have vertical walls but walls with positive side flank angles, the tip shape according to the invention with the countersunk tip 1 b at the end of the shaft is outstandingly suitable for unambiguous scanning and measurement of such structures.
Die Steifigkeit der Spitze 1 wird von einem Kegelstumpf bestimmt, während bei den herkömmlichen Senkkopfspitzen ein senkrechter Zylinder die Steifigkeit festlegte.The stiffness of the tip 1 is determined by a truncated cone, while in the case of the conventional countersunk head, a vertical cylinder determined the stiffness.
Bei gleicher Bauhöhe L weist ein Kegelstumpf eine höhere Steifigkeit k auf.With the same overall height L, a truncated cone has a higher one Stiffness k.
Für den Kegelstumpf gilt:
The following applies to the truncated cone:
Für den Zylinder gilt:
The following applies to the cylinder:
mit E = Elastizitätsmodul
d = kleinster Durchmesser des Kegelstumpfs
D = größter Durchmesser des Kegelstumpfs bzw.
Durchmesser des Zylinders
L = Länge des Kegelstumpfs bzw. Zylinderswith E = modulus of elasticity
d = smallest diameter of the truncated cone
D = largest diameter of the truncated cone or diameter of the cylinder
L = length of the truncated cone or cylinder
Ein weiterer wichtiger Vorteil der Spitze 1 ist, daß sie im Vergleich zu den herkömmlichen Senkkopfspitzen einfacher herzustellen ist, da sie keine Flankenwinkel von exakt 90° aufzuweisen hat, wobei die Abweichungen weniger als ±0.5° betragen dürfen.Another important advantage of the tip 1 is that it is easier to manufacture than the conventional countersunk tips because it has no flank angles of exactly 90 °, the deviations being less than ± 0.5 °.
Der Schaft 1a von Spitze 1 des erfindungsgemäßen mikromechanischen Sensors hat lediglich die Bedingung zu erfüllen, daß er einen kleineren bzw. maximal den gleichen Seitenflankenwinkel aufweist wie die zu vermessende Struktur.The shaft 1 a of the tip 1 of the micro-mechanical sensor of the invention has only to satisfy the condition that it has a smaller maximum or has the same side flank angle as the structure to be measured.
Der erfindungsgemäße mikromechanische Sensor kann mit den Verfahrensschritten hergestellt werden, wie sie beispielsweise in den europäischen Patenten EP-A-0 413 042, EP-A-0 413 041, EP-A-0 413 040 und EP-A-0 468 071 ausführlich beschrieben sind.The micromechanical sensor according to the invention can be used with the Process steps are produced, such as in European patents EP-A-0 413 042, EP-A-0 413 041, EP-A-0 413 040 and EP-A-0 468 071 are described in detail are.
Besonders vorteilhaft für bestimmte Anwendungen kann es sein, wenn der Balken 2, der Befestigungsblock und die Spitze 1 des Sensors ein integriertes Teil bilden, welches mikromechanisch aus einem Stück Material gefertigt ist. Ein hierzu besonders geeignetes Material ist z. B. Silizium.It can be particularly advantageous for certain applications if the bar 2 , the fastening block and the tip 1 of the sensor form an integrated part which is micromechanically produced from one piece of material. A particularly suitable material for this is e.g. B. silicon.
Wie im IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol. 37, No. 07, July 1994, Seiten 545/546 beschrieben, können die einzelnen Bestandteile des mikromechanischen Sensors auch aus unterschiedlichen Materialien bestehen.As in IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol. 37, No. July 07 1994, pages 545/546, the individual Components of the micromechanical sensor also different materials.
Unter Beibehaltung des Grundmaterials Silizium und der bekannten Herstellverfahren für den mikromechanischen Sensor kann dieser zusätzlich mit einer oder auch mit mehreren dünnen Schichten 4, 5 belegt werden, wie dies in Fig. 5 zu sehen ist. Zur Verbesserung der Steifigkeit der Spitze kann eine Schicht aus einem Material mit einem gegenüber Silizium höheren Elastizitätsmodul gewählt werden. Geeignete Materialien mit dieser Eigenschaft sind z. B. Siliziumnitrid, Siliziumcarbid, Diamant oder diamantartiger Kohlenstoff. Auch organische Beschichtungen, z. B. aus Teflon, eignen sich gut wegen ihres geringen Reibungskoeffizienten.While maintaining the basic material silicon and the known manufacturing methods for the micromechanical sensor, the latter can additionally be coated with one or more thin layers 4 , 5 , as can be seen in FIG. 5. To improve the rigidity of the tip, a layer made of a material with a higher modulus of elasticity than silicon can be selected. Suitable materials with this property are e.g. As silicon nitride, silicon carbide, diamond or diamond-like carbon. Organic coatings, e.g. B. made of Teflon, are well suited because of their low coefficient of friction.
Da diese Materialien häufig elektrisch isolierend wirken, können für mancherlei Anwendungen eine oder auch mehrere elektrisch leitfähige oder magnetische Schichten vorteilhaft sein. Eine zusätzliche elektrisch leitende Schicht trägt zudem dazu bei, in Abhängigkeit vom zu untersuchenden Probenmaterial durch Aufladung verursachte Meßprobleme zu vermeiden. In der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform ist der mikromechanische Sensor mit zwei dünnen Schichten 4, 5 belegt. Die erste Schicht 4 weist in diesem Beispiel einen hohen Elastizitätsmodul auf und die zweite Schicht 5 ist elektrisch leitfähig.Since these materials often have an electrically insulating effect, one or more electrically conductive or magnetic layers can be advantageous for various applications. An additional electrically conductive layer also helps to avoid measurement problems caused by charging, depending on the sample material to be examined. In the embodiment shown in FIG. 5, the micromechanical sensor is covered with two thin layers 4 , 5 . In this example, the first layer 4 has a high modulus of elasticity and the second layer 5 is electrically conductive.
Die Bruchfestigkeit der Siliziumspitzen bzw. der mikromechanischen Sensoren kann auch durch Metallschichten, die keinen hohen Elastizitätsmodul aufweisen, verbessert werden. Metalle wie Cr, Al, Au, Pt oder andere können durch Sputterprozesse oder durch chemisches Abscheiden aus der Dampfphase aufgebracht werden.The breaking strength of the silicon tips or micromechanical sensors can also be through metal layers, that do not have a high modulus of elasticity become. Metals such as Cr, Al, Au, Pt or others can pass through Sputtering processes or by chemical deposition from the Vapor phase can be applied.
Auch Materialien mit von Silizium gänzlich verschiedenen Spannungseigenschaften, wie z. B. Siliziumdioxid, können die Bruchfestigkeit der Siliziumspitzen verbessern.Also materials with completely different from silicon Tension characteristics such as B. silicon dioxide, can Improve the breaking strength of the silicon tips.
Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit besteht darin, die Spitze bzw. den mikromechanischen Sensor zunächst mit einer oder mehreren Schichten zu belegen und anschließend das Siliziummaterial der Spitze durch eine chemische Hochtemperaturreaktion in ein anderes Material umzuwandeln. Das Ergebnis einer solchen Prozeßfolge ist in Fig. 6 dargestellt.Another advantageous possibility is to first coat the tip or the micromechanical sensor with one or more layers and then to convert the silicon material of the tip into another material by means of a chemical high-temperature reaction. The result of such a process sequence is shown in FIG. 6.
Der Vorteil dieser Methode gegenüber der reinen Beschichtungsmethode wird im Vergleich der Fig. 5 und 6 deutlich. Die reine Beschichtungsmethode vergrößert alle Dimensionen der Spitze, insbesondere den Krümmungsradius an den Ecken, während bei der Umwandlungsmethode überschüssiges Material, das nicht reagiert hat, wieder entfernt wird.The advantage of this method compared to the pure coating method is clear in the comparison of FIGS. 5 and 6. The pure coating method increases all dimensions of the tip, especially the radius of curvature at the corners, while the conversion method removes excess material that has not reacted.
Die Beschichtungsmethode und die Umwandlungsmethode lassen sich zur Verbesserung der elastischen und sonstigen Eigenschaften für beliebig geformte Spitzen einsetzen.Leave the coating method and the conversion method themselves to improve the elastic and other Use properties for arbitrarily shaped tips.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
| 8125 | Change of the main classification |
Ipc: G12B 21/02 |
|
| D2 | Grant after examination | ||
| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
| 8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |