DE4220510A1 - Vorrichtung zum Absenken und Aufsetzen einer Meßspitze auf ein Substrat - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Absenken und Aufsetzen einer Meßspitze auf ein Substrat.

Anwendungsgebiete der Erfindung sind alle physikalischen Meßverfahren, bei denen Spitzen kontrolliert und reprodu­ zierbar auf Substrate aufgesetzt werden müssen. Dies be­ trifft insbesondere Verfahren zur Messung der Schichtleitfä­ higkeit, wie z. B. die Spreading-Resistance-Methode.

Bekannte Lösungen für Spreading-Resistance-Meßplätze basie­ ren auf Wippensystemen, die pneumatisch oder mit Hitzdrahtsystemen bewegt werden können. Nachteilig dabei sind die hohe mechanische Empfindlichkeit der Wippensysteme und die mangelhaften Kontroll- und Einstellmöglichkeiten der Absenkgeschwindigkeit der Meßspitzen. Die existierenden Gerätelösungen sind mechanisch aufwendig und relativ volumi­ nös.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer sensorgesteu­ erten Vorrichtung zum kontrollierten Absenken und Aufsetzen von Meßspitzen auf ein Substrat zur Durchführung von Leitfä­ higkeits- oder Potentialmessungen, insbesondere Spreading-Resistance-Messungen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den in den Patentan­ sprüchen angegebenen Mitteln gelöst.

Gegenüber dem Stand der Technik zeichnet sich die erfin­ dungsgemäße Lösung durch einen kompakten und robusten Aufbau aus. Es wird eine drastische Volumenreduzierung erreicht. Durch die geringe Baugröße ist es möglich, diese Vorrichtung in kleine Vakuumkammern einzubauen. Die Absenk­ geschwindigkeit ist steuerbar und die Andruckkraft der Nadel einstellbar. Steuerung und Einstellungen können über einen Computer vorgenommen werden. Damit ist die Möglich­ keit der Anpassung an unterschiedliche Probenmaterialien auf einfache Weise automatisiert möglich.

Außerdem erlaubt die erfindungsgemäße Lösung den Meßbetrieb mit einem beheizbaren Kryostaten. Ein entscheidender Vor­ teil ist, daß die Vorrichtung in jeder räumlichen Orientie­ rung voll funktionsfähig ist.

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

In Fig. 1 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt.

Fig. 2 zeigt die symmetrische Anordnung zweier Vorrichtun­ gen.

Am unteren Ende der Vorrichtung ist die Spitze 1 erkennbar. Sie wird vertikal bewegt, bis sie das Substrat 4 berührt. Danach wird eine definierte Kraft eingestellt, mit der die Spitze auf das Substrat drückt. Über die Kraft kann die Eindringtiefe der Spitze in das Substrat eingestellt wer­ den.

Die Meßspitze 1 ist in einer Einspannvorrichtung 9 gehal­ tert. Die Halterung kann z. B. durch Einklemmen erfolgen, wodurch die Spitze leicht auswechselbar ist. Die Einspann­ vorrichtung 9 ist mittels einer elektrisch isolierenden Schicht 8 mit einem Träger 2 verbunden. Der Träger 2 ist zwischen zwei Blattfedern 7 eingespannt, welche jeweils an einem Grundkörper 5 befestigt sind. Der Träger 2, die Blattfedern 7 und der Grundkörper 5 bilden ein an sich bekanntes Parallelfedersystem, das bedingt durch die Elasti­ zität der Blattfedern eine Translationsbewegung ausführen kann. Der Träger 2 und damit auch die Spitze 1 können gegenüber dem Grundkörper 5 eine parallele Bewegung ausfüh­ ren, sofern auf sie eine Kraft ausgeübt wird. Das ist der Fall, wenn der gesamte Grundkörper 5 in Richtung auf das Substrat 4 bewegt und die Spitze 1 auf das Substrat 4 aufsetzt. Bei Weiterbewegung des Grundkörpers 5 führt dieser eine Relativbewegung gegenüber dem Träger 2 und der Spitze 1 aus, da letztere durch das Substrat 4 an der Fortbewegung gehindert werden. Die Blattfedern 7 werden dabei elastisch verformt und üben eine Kraft auf den Träger 2 aus. Mit zunehmender Auslenkung steigt die Kraft stark nichtlinear an, wodurch es möglich ist, die Andruckkraft in einem weiten Bereich schnell zu variieren. Bei geringer Auslenkung ist die Kraft sehr klein, d. h. die Spitze 1 übt noch keinen wesentlichen Druck auf das Substrat 4 aus. Diese Auslenkung kann jedoch schon von einer Wegmeßeinrich­ tung 3 erfaßt werden. In diesem Bereich wird also das Aufsetzen der Spitze 1 auf das Substrat 4 registriert. Durch weitere Auslenkung steigt der Druck der Spitze 1 auf das Substrat 4 an. Die Spitze 1 dringt in das Substrat 4 ein. Bei Kenntnis der Federkennlinie, des Spitzenradius und der Eigenschaften des Substrats kann aus der Auslenkung die Eindringtiefe bestimmt bzw. eingestellt werden. Dies ist insofern von Interesse, da für die Messung der Spreading-Re­ sistance die Kontaktfläche zwischen Spitze und Substrat von ausschlaggebender Bedeutung ist.

Die Auslenkung des Trägers 2 gegenüber dem Grundkörper 5 wird durch die Wegmeßeinrichtung 3 erfaßt. Sie besteht aus zwei Elektroden 11 und 12, wobei die Elektrode 11 mit dem Träger 2 fest verbunden ist und die Elektrode 12 mit dem Grundkörper 5 fest verbunden ist. Die Elektrode 12 ist gegenüber dem Grundkörper 5 elektrisch isoliert angeordnet. Bei einer Auslenkung ändert sich der Abstand der beiden Elektroden 11 und 12. Werden beide Elektroden als Kondensa­ tor elektrisch geschaltet, ist die durch die Abstandsände­ rung bewirkte Kapazitätsänderung ein Maß für die Auslen­ kung. Die Kondensatorelektrode 12 ist mit dem Grundkörper 5 über eine Justiervorrichtung verbunden. Damit wird der Grun­ dabstand der beiden Elektroden eingestellt.

Für die Wegmeßeinrichtung sind aber auch andere Meßmethoden anwendbar. So kann ein induktiver Sensor gebildet werden, indem der Träger 2 von einer Induktivität umgeben ist und der Träger selbst einen Permanentmagneten enthält, welcher in die Induktivität eintaucht. Möglich ist aber auch der Einsatz eines optischen Systems mit Linearsensoren, Licht­ schranken usw., wie es aus dem Stand der Technik hinläng­ lich bekannt ist.

Der Grundkörper 5 ist über ein elektrisch isolierendes Zwi­ schenstück 10 mit einem Linearantrieb 6 verbunden. Der Line­ arantrieb 6 bewegt den Grundkörper 5 einschließlich aller Anbauteile relativ gegenüber dem Substrat 4. Der Linearan­ trieb besteht zweckmäßig aus einem Gleichstrommotor, einem Untersetzungsgetriebe und einem Umformgetriebe, das die Drehbewegung in eine Linearbewegung umformt. Er kann auch aus einem Schrittmotor und einem Umformgetriebe bestehen. Verwendet werden kann aber auch ein Piezolinearmotor. Der Linearantrieb enthält ebenfalls eine Wegerfassungseinrich­ tung. Dies kann eine mit dem Gleichstrommotor gekoppelte Winkelmeßeinrichtung oder eine an die Antriebsachse gekop­ pelte Wegmeßeinrichtung sein. Bei einem Schrittmotor kann die Schrittzahl zur Wegbestimmung genutzt werden. Der Linearantrieb ist somit bezüglich seiner Geschwindigkeit und seiner Position steuerbar. Der Absenkvorgang ist damit gezielt beeinflußbar. Beim erstmaligen Absenken der Meßspit­ ze 1 auf das Substrat 4 wird eine niedrige Geschwindigkeit eingestellt. Registriert die Wegmeßeinrichtung 3 das Aufset­ zen, wird durch die Wegmeßeinrichtung des Linearantriebs 6 die Position bestimmt. Bei nochmaligem Absenken kann bis zu dieser Position abzüglich eines geringen Vorhalteabstandes mit einer erhöhten Geschwindigkeit abgesenkt werden. Weiter abgesenkt wird mit der Geschwindigkeit, die der Aufsetzge­ schwindigkeit entspricht. Somit wird die Aufsetzgeschwindig­ keit stets eingehalten, auch wenn die Probe Unebenheiten oder Neigungswinkel aufweist.

Die Meßspitze 1 ist elektrisch leitend mit der Einspannvor­ richtung 9 verbunden, welche an einen Meßverstärker ange­ schlossen ist. Die Meßspitze 1 kann auch direkt an den Meßverstärker angeschlossen sein. Um Störeinflüsse zu vermei­ den, sind die Einspannvorrichtung 9, der Grundkörper 5 und die Meßspitze 1 zumindest teilweise von einer Abschirmung gegen elektromagnetische Felder umgeben.

Zur Messung der Spreading-Resistance ist es in der Regel er­ forderlich, zwei Meßspitzen mit dem Substrat zu kontaktie­ ren. Dazu werden zwei vollständige, oben beschriebene Baugruppen 13 und 14 symmetrisch zueinander angeordnet, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Die Meßspitzen können gleich­ zeitig, aber auch unabhängig voneinander abgesenkt werden, da die Meßspitzen vorteilhafterweise unabhängig voneinander steuerbar sind.

Für die Messung ist der Abstand der Meßspitzen von Bedeu­ tung. Mittels der Justiervorrichtungen 15 und 16 ist der Abstand einstellbar. Jede Justiervorrichtung trägt eine vollständige Absenk- und Aufsetzvorrichtung. Die Justiervor­ richtung 15 dient der Einstellung in x-Richtung und die Justiervorrichtung 16 in y-Richtung. Es sind vorteilhaft verwendbar Schiebetische oder elastische und fixierbare Einstellelemente.

Claims (18)

1. Vorrichtung zum Absenken und Aufsetzen einer Meßspitze auf ein Substrat, wobei die Eindringtiefe der Spitze in das Substrat reproduzierbar und einstellbar ist, vorzugsweise zur Messung der Spreading-Resistance, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspitze (1) in einem verstellbaren Träger (2), der mit einer Wegmeßeinrich­ tung (3) verbunden ist, eingespannt ist, wobei die Meßspitze (1), der Träger (2) und die Wegmeßeinrich­ tung (3) an einem gemeinsamen kraftausübenden Grundkör­ per (5) angeordnet sind, der starr mit einem in seiner Position steuerbaren Linearantrieb (6) verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (2) vertikal bewegbar und zwischen zwei Blattfedern (7) eingespannt ist, die an dem gemeinsa­ men Grundkörper (5) befestigt sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wegmeßeinrichtung aus einem kapazitiven Sensor gebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wegmeßeinrichtung aus einem induktiven Sensor gebildet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wegmeßeinrichtung aus einem optischen Sensor gebildet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (2) eine elektrisch isolierende Schicht (8) besitzt, wodurch die Meßspitze (1) und die Einspannvorrichtung (9) gegenüber den anderen Berei­ chen des Trägers (2) elektrisch isoliert sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (5) über ein elektrisch isolieren­ des Zwischenstück (10) mit dem Linearantrieb (6) ver­ bunden ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der Grundkörper (5) als auch Teile der Meßspitze (1) von einer Abschirmung gegen elektro­ magnetische Felder umgeben sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Linearantrieb (6) ein Piezomotor ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Linearantrieb (6) ein Gleichstrommotor mit Getriebe und Umformgetriebe ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Linearantrieb (6) ein Schrittmotor mit Umform­ getriebe ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Linearantrieb (6) eine Wegmeßeinrichtung enthält.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei vollständige Baugruppen (13, 14) symmetrisch zueinander angeordnet sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Baugruppen (13, 14) mittels einer Justiervorrichtung (15, 16) einstellbar ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (2) einen flächig ausgebildeten Bereich (11) besitzt, der als Kondensatorelektrode dient.

16. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Kondensatorelektrode (12) in einem Abstand zu dem flächig ausgebildeten Bereich (11) des Trägers (2) angeordnet ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatorelektrode (12) mittels einer Ju­ stiervorrichtung mit dem Grundkörper (5) verbunden ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (2) von einer Induktivität umgeben ist und der Träger selbst einen Permanentmagneten enthält, welcher in die Induktivität eintaucht.