DE69609336T2

DE69609336T2 - Nahfeld-leitfähigkeits-mikroskop

Info

Publication number: DE69609336T2
Application number: DE69609336T
Authority: DE
Inventors: Dan Davidov; Michael Golosovsky
Original assignee: Yissum Research Development Co of Hebrew University of Jerusalem
Current assignee: Yissum Research Development Co of Hebrew University of Jerusalem
Priority date: 1995-09-11
Filing date: 1996-09-10
Publication date: 2001-03-15
Anticipated expiration: 2016-09-11
Also published as: EP0850419B1; WO1997010514A1; EP0850419A1; AU6888996A; DE69609336D1; US5781018A

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft allgemein elektrische Meßeinrichtungen und -verfahren. Insbesondere betrifft die Erfindung Mikrowelleneinrichtungen und -verfahren zum Abbilden des spezifischen Widerstands und anderer elektrischer Eigenschaften 120 über einer Oberfläche mit einer Auflösung von einigen Mikrometern, d. h. ein Mikrowellen-Mikroskop.

Hintergrund der Erfindung

Es ist oft erwünscht, den spezifischen elektrischen Widerstand über einer Oberfläche abzubilden und dies mit Feinauflösung zu tun. Dabei ist es in der Mikroelektronikindustrie erforderlich, daß die Gleichmäßigkeit von elektrischen Eigenschaften von Halbleiterwafern aus Silicium, Galliumarsenid und anderen Halbleitern und von leitenden Polymeren streng gesteuert wird, um eine akzeptable Ausbeute an IC-Chips aus einem großen Wafer zu erhalten. Es ist üblich, den spezifischen Widerstand der Wafer abzubilden, um die Gleichmäßigkeit des Wafers sowohl vor der Bearbeitung als auch nach der Ionenimplantation oder dem Schichtwachstum zu überwachen.
Bisher wird das Abbilden des spezifischen Widerstands typischerweise mit einer beweglichen Sonde und Punktkontakten durchgeführt, die mechanisch auf den Wafer gedrückt werden, um dadurch den spezifischen Gleichstromwiderstand unter Verwendung von Zweipunkt- oder Vierpunktsonden abzubilden. Dieses Verfahren ist auf eine Auflösung in der Größenordnung von 50 bis 100 um beschränkt, und das Verfahren ist ferner durch die direkte mechanische Berührung zwischen der Sonde und dem Wafer beeinträchtigt, wobei die Gefahr einer Beschädigung des Wafers oder der Sonde besteht.
Es sind verschiedene berührungsfreie Verfahren entwickelt worden, um das Problem einer Beschädigung zu vermeiden. Beim Wirbelstromtesten wird eine Miniaturspule in einer festen Höhe abtastend über die Oberfläche geführt, und die Spule ist Teil einer empfindlichen Induktivitätsmeßbrücke. Änderungen des spezifischen Widerstands in der unter der Spule liegenden Oberfläche verstimmen die Brücke, und der Brückenausgang bildet somit den spezifischen Widerstand ab.
Dieses Verfahren ist zwar ziemlich leistungsstark, seine Auflösung ist jedoch auf Dimensionen in der Größenordnung von 1 mm, die kleinste Größe der Spule, beschränkt. Noch kleinere Spulen haben den Nachteil einer signifikant verringerten Induktivität.
Einige Verfahren können den spezifischen Widerstand mit einer Auflösung im Nanometerbereich abbilden. Ein Beispiel ist ein Kapazitätsmikroskop, bei dem eine scharfe Nadel abtastend über die leitende Oberfläche geführt und die Kapazität zwischen der Nadel und der Oberfläche gemessen wird. Bei einer nichtleitenden Oberfläche verschwindet die Kapazität. Das Kapazitätsmikroskop ist jedoch für feinere Abstufungen des spezifischen Widerstands unempfindlich.
Abtast-Tunnelmikroskope können den spezifischen Widerstand ebenfalls mit einer Auflösung im Nanometerbereich abbilden, sie werden jedoch nicht für die großen Flächen, die für eine Waferprüfung erwünscht sind, eingesetzt.
Einige Mikrowellenverfahren werden zum Abbilden des spezifischen Widerstands angewandt. Diese Verfahren stützen sich darauf, daß die Reflexion oder Transmission von elektromagnetischen Wellen an einer leitenden Oberfläche durch den spezifischen Widerstand (ρ = 1/σ) und die Dielektrizitätskonstante &epsi; des Oberflächenmaterials bestimmt wird, die zu einer komplexen Leitfähigkeit (σ-i&epsi;ω/4π) kombiniert werden können. Deshalb wird ein Mikrowellenstrahl abtastend über die Oberfläche geführt, und die Intensität der reflektierten oder durchgelassenen Mikrowellenstrahlung wird gemessen, um dadurch eine Abbildung des spezifischen Widerstands zu erhalten.
Die meisten dieser Verfahren fokussieren den Mikrowellenstrahl auf einen kleinen Fleck und sammeln den reflektierten oder durchgelassenen Strahl mit einer Hornantenne. Das heißt, diese Verfahren sind Fernfeld-Techniken, deren Auflösungen auf ungefähr die Wellenlänge der Strahlung, nämlich die Größenordnung von 1 mm bei 94 GHz, beschränkt ist. Mikrowellenkomponenten sind im allgemeinen oberhalb dieser Frequenz nicht verfügbar.
Außerdem können elektrische Eigenschaften im Submillimeterbereich eine geringe Beziehung zu den elektrischen Eigenschaften bei viel niedrigeren Frequenzen oder Gleichstrom haben. Andere Techniken machen von einer offenen Hohlleiter- oder einer Parallelplattenantenne Gebrauch, die tatsächlich Nahfeldsonden sind, aber keine hohe räumliche Auflösung haben.
Dennoch haben Mikrowellen-Meßtechniken unter Verwendung der Methoden der Nahfeldmikroskopie eine viel feinere Auflösung erreicht. Ash et al. beschreiben eine Nahfeld-Mikrowellen- Mikroskopie in "Super-Resolution Aperture Scanning Microscope", Nature, Vol. 237, Seiten 510-512, 1972. Sie verwendeten eine Öffnung mit einem Durchmesser von 1,5 mm in einem Mikrowellenleiter von 10 GHz (λ = 3 cm), um eine räumliche Auflösung von λ/60 zu erzielen.
Sie äußerten die Meinung, daß eine ähnliche Anordnung mit Mikrowellen von 8 mm und sehr kleinen Öffnungen eine Auflösung von einigen zehn Mikrometern ermöglichen würde. Wir glauben, daß weitere Verbesserungen der Auflösung über die berichteten hinaus bei Verwendung dieser Konstruktion nicht praktikabel sind. Sehr kleine Öffnungen lassen sehr wenig Energie durch, da sie unter der Durchlaßgrenze sind.
Durch eine sehr kleine Öffnung durchgelassene Energie kann erhöht werden, wenn diese Öffnung in einem Resonator mit hohem Q-Faktor enthalten ist; ein Resonator begrenzt jedoch stark die Bandbreite und ist für Zeitbereichsstudien, die zum Messen von örtlichen Lebensdauern wichtig sind, unzweckmäßig.
Die Lebensdauer wird aufgrund der Änderung der Leitfähigkeit bei Beleuchtung durch einen kurzen Laserimpuls bestimmt. Ein Resonator, der ein inhärent langsames Zeitverhalten hat, ist zum Überwachen von kurzem Zeitverhalten ungünstig.
Ein Koaxialkabel kann verwendet werden, um eine Oberfläche im Nahfeld abzutasten, wie von Bryant et al. in "Noncontact Technique for the Local Measurement of Semiconductor Resistivity", Review of Scientic Instruments, Vol. 36, Seiten 1614-1617, 1965, beschrieben ist. Vor kurzem ist diese Technik auf niedrigere Auflösungen mit einem Miniaturkoaxialkabel ausgedehnt worden.
Ein Wellenleiter mit einer kleinen verjüngten Öffnung an seiner Spitze kann abtastend über die Oberfläche geführt werden, wie von Keilman in dem US-Patent 4 994 818 beschrieben ist. Merz et al. geben eine ähnliche Beschreibung in Physical Review Letters, Vol. 40, 1993, Seiten 651-653. Die Antenne koppelt sich entweder induktiv oder kapazitiv an die darunterliegende Oberfläche.
Diese Technik ist von Tabib-Azar et al. in "Nondestructive characterization of materials by evanescent microwaves", Measurement Science Technology, Vol. 4, Seiten 583-590, 1993, beschrieben. Ein abgetasteter Mikrostreifenresonator kann verwendet werden, um die Beweglichkeit mit einer Auflösung von einigen Millimetern abzubilden, wie von Druon et al., "Novel microwave device for nondestructive electrical characterization of semiconducting layers", Review of Scientific Instruments, Vol. 61, 3431-3434, 1990, beschrieben ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung gibt ein Mikrowellen-Mikroskop zum Charakterisieren einer Oberfläche an, das folgendes aufweist: eine Quelle für Mikrowellenstrahlung; einen Mikrowellen-Wellenleiter zum Empfangen der Mikrowellenstrahlung von der Quelle an einem ersten Ende und mit einer Öffnung in einer Wand an einem zweiten Ende; und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung eine rechteckige Öffnung ist, die eine erste Dimension (a') aufweist, die nahezu in Resonanz mit der Mikrowellenstrahlung ist, und eine zweite Dimension (b') aufweist, die wesentlich kleiner als die erste Dimension ist.
Die vorliegende Erfindung gibt ferner eine Mikrowellensonde an, die folgendes aufweist: einen Mikrowellen-Wellenleiter; und ein metallisches Ende, das an dem Wellenleiter angeordnet ist und in dem eine rechteckige Öffnung ausgebildet ist; und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung eine erste Dimension (a') aufweist, die mit der von dem Wellenleiter übertragenen Mikrowellenstrahlung nahezu in Resonanz ist, und eine zweite Dimension (b') aufweist, die wesentlich kleiner als die erste Dimension ist, und daß das Ende längs der ersten Dimension konvex gekrümmt ist.
Die vorliegende Erfindung gibt ferner ein Verfahren zum Abtasten einer Oberfläche hinsichtlich ihrer elektrischen Eigenschaften an, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Positionieren eines metallischen Endes einer Mikrowellensonde in einer Höhe über der zu charakterisierenden Oberfläche, wobei die Mikrowellensonde einen Mikrowellen-Wellenleiter aufweist, der in dem metallischen Ende abgeschlossen ist; und Abtasten der Oberfläche mittels der Mikrowellensonde; und ist dadurch gekennzeichnet, daß in dem metallischen Ende eine im wesentlichen rechteckige Öffnung ausgebildet ist, die eine lange Dimension (a') aufweist, die wesentlich länger ist als die Höhe, und eine kurze Dimension (b') aufweist, die wesentlich kürzer ist als die lange Dimension, die mit der Mikrowellenstrahlung nahezu in Resonanz ist.
Die Vorrichtung und das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung sind zum Abbilden des spezifischen Widerstands einer Oberfläche mit einer Auflösung im Bereich von 10 um bis zu einigen Zentimetern geeignet.
Ein Verfahren gemäß der Erfindung ist vorteilhafterweise auch ein berührungsfreies Verfahren zum Abbilden elektrischer Eigenschaften einer Oberfläche.
Die Erfindung kann als ein Nahfeld-Mikrowellen-Mikroskop und ein Verfahren zu seiner Verwendung zusammengefaßt werden, wobei ein rechteckiger oder anderer Mikrowellen-Wellenleiter eine Resonanz-Spaltöffnung aufweist, die eine lange Dimension hat, die mit der Mikrowellenstrahlung nahezu in Resonanz ist, und auch eine kurze Dimension hat, die wesentlich kleiner ist und die Auflösung bestimmt.
Die Oberfläche wird mittels der Spaltöffnung abgetastet, und die Mikrowellenstrahlung wird entweder als Reflexion oder Transmission gemessen, um einen elektrischen Parameter des Materials, insbesondere den spezifischen elektrischen Widerstand, abzubilden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Perspektivansicht eines Mikrowellen-Wellenleiters und eines Resonanzspalts, die eine Ausführungsform einer Sonde der Erfindung bilden.
Fig. 2 ist eine Perspektivansicht einer anderen Ausführungsform einer Sonde, die von einem gekrümmten Spalt Gebrauch macht.
Fig. 3 und 4 sind Querschnittsansichten der Sonde von Fig. 2 entlang Schnittlinien 3-3 bzw. 4-4.
Fig. 5 ist eine Fig. 3 entsprechende Querschnittsansicht, die ein zusätzliches Element zeigt.
Fig. 6 und 7 sind schematische Darstellungen von zwei Ausführungsformen des Mikroskops der Erfindung, die eine andere Elektronik verwenden.

Genaue Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Eine erste Ausführungsform der Erfindung basiert auf einer Mikrowellensonde 10, die in Fig. 1 in Perspektivansicht gezeigt ist. Ein rechteckiger Mikrowellen-Wellenleiter weist zwei Seitenwände 14 mit einer Breite a und zwei schmale Seitenwände 16 mit einer Breite b auf, die sämtlich hochleitfähig sind, um Mikrowellen innerhalb des von den Seitenwänden 14 und 16 gebildeten rechteckigen Hohlraums zu tragen.
Die Wanddimensionen sind so gewählt, daß sie Mikrowellen innerhalb eines vorbestimmten Frequenz- oder Wellenlängenbereichs tragen. Für eine gegebene Mikrowellen-Wellenlänge λ&sub0; gibt es einen Satz von kleinsten Dimensionen, die kleiner als in dem Fall sind, in dem die Mikrowellenstrahlung von dem Wellenleiter nicht getragen wird, und infolgedessen wird die Strahlung innerhalb des Wellenleiters rasch abgeschwächt.
Es gibt keine maximalen Dimensionen, die Mikrowellenstrahlung breitet sich jedoch mit übermäßigen Verlusten aus, wenn die Wellenleitergröße wesentlich größer ist als die Mikrowellen- Wellenlänge. Es wird jedoch betont, daß ein Wellenleiter mit Kreisquerschnitt oder einem anderen Querschnitt ebenfalls Mikrowellen verbreitet und also mit der Erfindung brauchbar ist.
Eine Stirnwand oder Endwand 18 aus leitfähiger Folie ist mit dem Wellenleiter 12 an dessen Sondenende verbunden und weist eine zentral angeordnete Spaltöffnung 20 auf, die längs der langen Wellenleiterseite 14 eine lange Dimension a' und längs der kurzen Wellenleiterseite 16 eine kurze Dimension b' hat.
Anstelle der leitfähigen Folie kann eine ziemlich dicke dielektrische Wand 18 verwendet werden, die mit einer dünnen leitfähigen Beschichtung beschichtet ist. Die leitfähige Beschichtung kann entweder auf die Innenseite oder die Außenseite der dielektrischen Wand aufgebracht sein, und die Öffnung 20 kann durch chemisches Ätzen oder Laserablation in der leitfähigen Beschichtung gebildet sein.
Es sei nun angenommen, daß das Wellenleiterinnere nicht dielektrisch beladen ist, so daß die Mikrowellen-Wellenlänge der Wert des freien Raums
λ&sub0; = c/f
ist, wobei c die Lichtgeschwindigkeit im freien Raum und f die Mikrowellenfrequenz ist. Die Spaltlänge ' ist so gewählt, daß sie ungefähr die Hälfte der Wellenlänge λ&sub0; des freien Raums ist. Die Reflexion und Transmission von elektromagnetischen Wellen durch einen solchen Spalt 20 steht mit der Impedanz ZS des Spalts in Beziehung, die ungefähr durch
gegeben ist, wobei 4 die Impedanz des freien Raums ist, die 377 Ω beträgt. Diese Gleichung zeigt, daß es eine Grenzwellenlänge
λc = 2a' (3)
gibt, oberhalb welcher die Strahlung den Spalt 20 nicht durchdringen kann. Gleichung (2) sollte als eine Gleichung betrachtet werden, die nur ungefähr auf die Ausbreitung von elektromagnetischer Strahlung bei der Erfindung anwendbar ist, sie zeigt jedoch wichtige Grenzen des Betriebs der Erfindung.
Nahe der Grenze kann selbst bei beliebig kleinen Spaltbreiten ' die Spaltimpedanz ZS gleich der Impedanz Z&sub0; des freien Raums gemacht werden, um eine hohe Transmission zu gewährleisten.
Es ist ferner bekannt, daß bei einer Spaltöffnung, die zwei Bereiche eines Wellenleiters trennt, dann, wenn die Dimensionen des Spalts und des Wellenleiters derart sind, daß sie die Bedingung
erfüllen, der Spalt 20 und die Endplatte 18 bei dieser Wellenlänge λ transparent sind. Diese Bedingung ist von Moreno in Microwave transmission design data (Dover, New York, 1958), Seite 158, beschrieben.
Gleichung (4) zeigt, daß mit der Annäherung von ' an 2λ von oben, d. h. der Annäherung an den Grenzwert, die schmale Dimension ' des Spalts bis zu dem Grenzwert von einigen Mikrometern sehr klein gemacht werden kann. Die kleinste Größe des Spalts ist durch die Hauttiefe, ungefähr 0,2 um bei Kupfer bei 100 GHz, begrenzt. Deshalb ist selbst ein sehr schmaler Spalt bei Mikrowellen-Wellenlängen knapp unter λc transparent.
Die Transparenz nach Gleichung (4) gilt zwar streng genommen für eine Barriere mit einer Öffnung und nicht für eine Schlitzantenne nach Fig. 1; wir erwarten jedoch, daß eine solche Transparenz bei Schlitzantennen verfügbar ist.
Die Länge ' des Spalts 20 ist so beschränkt, daß sie nahe bei λ/2 ist, was bei 100 GHz ein Wert von 1,5 mm ist. Diese Länge bei der Ausführungsform der Sonde von Fig. 1 bestimmt im wesentlichen die laterale Auflösung. Die laterale Auflösung kann jedoch bei der Mikrowellensonde 30 verbessert werden, die in Fig. 2 in Perspektivansicht und in den Fig. 3 und 4 in senkrechten seitlichen Querschnittsansichten gezeigt ist.
Das Sondenende des Wellenleiters 12 ist konvex gekrümmt, und eine dünne leitfähige Folie 32 ist an dem gekrümmten Ende derart angebracht, daß ihr Spalt 34 in seiner Längsrichtung ebenfalls gekrümmt ist. Wie die Querschnittsansicht von Fig. 5 zeigt, stützt ein verlustarmer dielektrischer Körper 35, der in dem Ende der Sonde plaziert ist, die dünne Folie 32 an einer gekrümmten vorderen Oberfläche ab, und seine dreieckförmige hintere Seite minimiert die Mikrowellenreflexion.
Wie Fig. 4 zeigt, wird dann die Sonde 12 in der kurzen Dimension des Spalts 20 in einem festen kleinen Abstand über die Oberfläche 36 eines Materials, das gerade elektrisch charakterisiert wird, abtastend geführt. Die niedrige Auflösung steht mit der in Fig. 3 gezeigten Spaltbreite ' in enger Beziehung. Die höhere Auflösung ist geringer als die Spaltbreite ', weil die Krümmung der Endfolie 32 nur einen kleineren zentralen Bereich des Spalts in die Nähe der mit der Sonde abgetasteten Oberfläche 36 bringt.
Die Seitenbereiche des Spalts 34 sind zu weit entfernt, um den Anforderungen der Oberfläche 36, die innerhalb des Nahfelds des Spalts 34 ist, zu genügen. Die Spitze der Sonde wird typischerweise in einer konstanten Höhe von einigen Mikrometern über der mit der Sonde abgetasteten Oberfläche gehalten, um die abgetastete Oberfläche innerhalb des Nahfelds zu halten.
Wenn der Resonanzspalt sehr nahe an einer leitenden Oberfläche plaziert ist, hängt der Reflexions- oder Transmissionskoeffizient in Abhängigkeit von der Betriebsart stark von dem spezifischen Widerstand in dem kleinen Bereich unter der Sonde ab.
Das Messen der Amplitude und Phase der reflektierten oder durchgelassenen Welle während des Abtastens der Oberfläche ergibt ein eindimensionales Profil des spezifischen Widerstands im Mikrowellenbereich. Das Abtasten entlang unterschiedlichen Richtungen und der Einsatz von Dekonvolutionstechniken ergeben eine zweidimensionale Abbildung des spezifischen Widerstands.
Solche Dekonvolutionstechniken sind von Dahm et al. in "ESA imaging study of the spin distribution in ladder-type polymer films containing spatially selective conducting patterns", Polymers for Advanced Technologies, Vol. 1, Seiten 247-252, 1990, beschrieben. Wenn die Dicke der abgetasteten Oberfläche bekannt ist, können die Dicke, der spezifische Widerstand und/oder die Dielektrizitätskonstante abgebildet werden, so daß eine kohärente Abbildung einer Oberfläche erhalten wird.
Eine solche Abbildung erfolgt, indem gleichzeitig sowohl die Amplitude als auch die Phase der reflektierten oder durchgelassenen Mikrowellenstrahlung relativ zu der auftreffenden Mikrowellenstrahlung gemessen werden, während die Probe zum Abtasten an dem Mikrowellen-Mikroskop vorbeigeführt wird.
Die Auflösung des Mikroskops in der Richtung senkrecht zu dem Spalt wird durch die Breite des Spalts und durch die Hauttiefe des Materials, in das der Spalt geschnitten ist, bestimmt. Der Spalt kann in einer metallischen Schicht aus einem Metallmaterial, wie etwa Aluminium, ausgebildet werden, das bis zu einer Dicke von ca. 1 um aufgebracht wird, und kann anschließend durch chemische Lithographie oder durch Ausbildung mittels Laser konturiert werden.
Alternativ kann der Spalt in Aluminium-, Kupfer- oder Nickelfolie mit einer Dicke von 10 bis 20 um geschnitten werden. Ein 10 um breiter und 1 bis 2 mm langer Spalt kann durch Elektroformung oder Schneiden mit einem Nd-YAG-Laser ausgebildet werden.
Es können schmalere Spalte ausgebildet werden, es besteht jedoch kein Bedarf an einem Spalt von weniger als 1 um, weil die Hauttiefe von Kupfer bei 100 GHz 0,2 um ist. Die endgültige Auflösung für das Abtasten in einer Richtung senkrecht zu dem Spalt ist also bei 100 GHz in der Größenordnung von einigen Mikrometern.
Die Auflösung beim Abtasten in einer Richtung parallel zu dem Spalt wird durch das Feldlinienbild in dem Spalt und durch die Krümmung der Sondenspitze bestimmt. Wir erwarten, daß diese Auflösung ohne Dekonvolution geringer als 1 mm ist.
Der Bereich der Leitfähigkeiten, der mit der Sonde abgetastet werden kann, wird dadurch bestimmt, daß die Empfindlichkeit auf Änderungen der Leitfähigkeit bei einer gegebenen Frequenz dann am höchsten ist, wenn die Größe der Sonde die gleiche Größenordnung hat wie die Hauttiefe des geprüften Materials. Der optimale Bereich für Millimeterwellen liegt also innerhalb von 10&supmin;² bis 10&spplus;² Ω&supmin;¹cm&supmin;¹. Dieser Bereich ist für Halbleiterwafer und leitende Polymere von großem Interesse.
Eine Arbeitsausführungsform eines Mikrowellen-Mikroskops 50 der Erfindung, die in Fig. 6 schematisch gezeigt ist, verwendet die gekrümmte Sonde 30 von Fig. 2 bis 4 und arbeitet im Reflexionsmodus. Der Spalt ist in eine 20 um dicke Aluminiumfolie geschnitten, hat Dimensionen von 1,5 mm mal 100 um und ist bei 80 GHz durchlässig. Das geprüfte Material 38, beispielsweise ein Halbleiterwafer, ist über eine dicke Glaszwischenplatte 54 auf einem beweglichen X-Y-Tisch 52 angebracht.
Eine Quelle für Millimeterwellen-Mikrowellenstrahlung 56, beispielsweise ein Mikrowellengenerator HP 83558A, liefert die Abtast-Mikrowellen. Eine Millimeterwellenbrücke besteht aus einer Hybridverzweigung 58, einem verstellbaren Dämpfungsglied 60, einem Schiebekurzschlußkreis 62, und einem EH- Abstimmelement, das die Impedanz der Schlitzantenne an die des Wellenleiters anpaßt.
Ein Mikrowellendetektor 66 empfängt Strahlung von der Brücke, um dadurch ihre Verstimmung zu messen, und die Intensität wird zu einem Computer 68 übertragen, der auch einen Treiber 70 steuert, der den X-Y-Tisch 52 in einem zweidimensionalen Abtastvorgang abtastet. Der Detektor kann ein Kristalldetektor Millitech DXP-12 sein.
Um die Empfindlichkeit zu erhöhen, erzeugt ein Signalgenerator ein Signal, das die Amplitude der Millimeterwellen- Quelle 56 moduliert, was als Synchronisierungssignal für einen Lock-in-Verstärker, wie etwa einen SR830-DSP dient, der das Ausgangssignal des Detektors 66 empfängt. Die Empfindlichkeit kann weiter erhöht werden, und die Phase kann gemessen werden, indem der Arbeitspunkt des Detektors 66 durch Verstellen des Dämpfungsglieds 60 und des Schiebekurzschlußkreises 62 verlagert wird.
Der Computer 68 gibt das Detektorsignal ab, das mit der X-Y- Position des Wafers 38 registriert wird. Wenn das Vorspannungssignal mit dem reflektierten Signal phasengleich ist, dann ist die Detektorspannung für Änderungen der Amplitude des reflektierten Signals empfindlich; wenn das Vorspannungssignal jedoch in bezug auf das reflektierte Signal um 90º phasenverschoben ist, dann ist die Detektorspannung für Phasenänderungen empfindlich.
Die Amplitude liefert Informationen über den spezifischen Widerstand, während die Phase Informationen über die Dielektrizitätskonstante liefert. Bei Tabib-Azar et al., ibid., findet man eine vollständigere Erläuterung des Messung beider Parameter.
Im Betrieb wird zunächst der Spalt auf den offenen Raum gerichtet, das Dämpfungsglied 60 wird auf maximale Dämpfung eingestellt, und das EH-Abstimmelement wird so verstellt, daß es die Brücke abgleicht, um eine Anpassung an die Impedanz des Spalts zu erreichen. Dann wird die Probe 38 auf dem X-Y- Tisch angebracht, während der Tisch 54 die Probe 38 mit einem konstanten Abstand von einigen Mikrometern unterhalb der Sonde 30 bewegt.
Dieser Aufbau wurde bei 80 GHz verwendet, um einen Abschnitt eines Testmusters durch Abtasten des Testmusters mittels der Sonde abzubilden. Es wurde keine Dekonvolution angewandt. Wie erwartet, wurde die beste Auflösung in der Richtung der kurzen Dimension des Spalts erhalten. Die beste Abbildung eines zweidimensionalen Musters wurde durch Abtasten in einer Richtung erhalten, die zu senkrechten Hauptmerkmalen nicht orthogonal war.
Der Versuch zeigte, daß eine Sonde mit einer Breite von 100 um fünf Linienpaare pro Millimeter (Linienbreite 100 um) gut auflöst und acht Linienpaare pro Millimeter (Linienbreite 70 um) angemessen auflöst. Deshalb wird die räumliche Auflösung des Mikroskops von der Spaltbreite und nicht von der Wellenlänge bestimmt.
Die Ausführungsform in Fig. 6 arbeitete im Reflexionsmodus. Ein Mikrowellen-Mikroskop 70 der Erfindung, das im Transmissionsmodus arbeitet, ist in Fig. 7 schematisch gezeigt. Die Strahlung von der Millimeterwellen-Quelle 56 wird an einer ersten Verzweigung 72 in kohärente Strahlung für ein Testsignal und für ein Referenzsignal aufgeteilt. Das Testsignal wird durch die Sonde 30 an die Probe 38 abgegeben, die über einer zentralen Öffnung 74 des X-Y-Tischs 52 freitragend angebracht ist.
Der Spalt 34 der Sonde wird einige Mikrometer über der Probe 38 positioniert, und die Probe 38 ist relativ dünn, um den Nahfeld-Bedingungen zu genügen. Es wird jedoch betont, daß dann, wenn die Probe dick ist, aber relativ nahe an der Oberfläche irgendwelche Veränderungen auftreten, die Fläche den größten Kontrast ergeben wird, während die Hauptmasse einen viel gleichmäßigeren Hintergrund erzeugt.
Eine Hornantenne 76 empfängt die durch die Probe 38 durchgelassene Mikrowellenstrahlung. Bevorzugt wird dieser durchgelassene Anteil von einem Modulator 78 moduliert, bevor er mit dem Referenzsignal in einer zweiten Verzweigung 80 wiedervereinigt wird. Ein Phasenschieber 82 kann verwendet werden, um das Referenzsignal phasenmäßig zu verschieben, um entweder das Signal zu maximieren oder eine komplexe Dielektrizitätskonstante der Probe 38 zu liefern.
Der Detektor 66 detektiert die kombinierten Signale, bevorzugt als mit dem Modulator 78 phasensynchronisiert, und sein Ausgangssignal wird von dem Computer 68 mit der von dem Treiber 70 gesteuerten X-Y-Position der Probe 38 verglichen, um eine X-Y-Abbildung der elektrischen Parameter der Probe 38 zu erhalten.
Wenn die Probe relativ dünn ist, wird der Nahfeld-Bedingung in der gesamten Probe genügt. Eine relativ transparente Probe kann jedoch dicker sein. Die Oberflächeninhomogenitäten werden gut fokussiert, während die darunterliegenden Bereiche, die im Fernfeld sind, einen gleichmäßigen Hintergrund erzeugen.
Eine etwas ähnliche Ausführungsform ist im Reflexionsmodus möglich, wenn die erste Verzweigung 72 durch eine Richtungsgabel ersetzt wird und zwei Verzweigungen ein Referenzsignal, möglicherweise wie von einem Phasenschieber eingestellt, um die Richtungsgabel herum leiten.
Es gibt andere Mikrowellenschaltungen, die dazu verwendet werden können, die Amplitude oder Phase von Signalen entweder im Reflexions- oder im Transmissionsmodus zu messen. Die Ausführungsformen der Fig. 6 und 7 sollen die Vielfalt an Meßschaltungen zeigen und in keiner Weise beschränken, welche Schaltungen bei der Erfindung verwendet werden können.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen verwenden zwar einen Rechteckwellenleiter; die Erfindung kann jedoch unter Verwendung eines Zirkularwellenleiters mit einem rechteckigen Resonanzspalt an seinem Ende implementiert werden.
Die Erfindung ist bei einer Reihe von vorteilhaften Anwendungen einsetzbar.
Wie vorher erwähnt, kann das Mikrowellen-Mikroskop vorteilhaft beim Prüfen von leitfähigen Polymerschichten verwendet werden. Bei diesen Schichten wird hohe Leitfähigkeit gewöhnlich durch Dotierung erreicht, was leider zu Inhomogenitäten in der Leitfähigkeit führt. Das Mikrowellen-Mikroskop gemäß der Erfindung bietet die Möglichkeit, die Dotierungsdiffusion und Dotierungsmechanismen zu untersuchen.
Bisher wurde der spezifische Photowiderstand (d. h. der Kehrwert der Photoleitfähigkeit) durch Anwendung örtlicher Beleuchtung unter Verwendung eines Lichtwellenleiters und nichtörtlicher Mikrowellenmessung gemessen. Bei der Erfindung kann die Probe örtlich oder breit mit Strahlung im optischen Spektralbereich beleuchtet und örtlich mit Millimeterwellen abgetastet werden.
Das Abbilden mit Wärmewellen ist eine wohletablierte Technik. Ein Laserstrahl wird amplitudenmoduliert und erwärmt örtlich eine Oberfläche, während ein zweiter Strahl das Reflexionsvermögen in einem naheliegenden Fleck abtastet. Die Messung der Amplitude und der Phase des reflektierten Strahls gibt Informationen über die Wärmeleitfähigkeit, Tiefe und den Absorptionskoeffizienten des Substrats.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht entweder ein sehr lokales Erwärmen des Substrats mit Millimeterwellen oder ein Abtasten der resultierenden Erwärmung im Mikrowellenbereich. Ferner ergibt die Mikrowellensonde Informationen, die etwas von denen abweichen, die durch das gewöhnlich angewandte thermische Abtasten mit optischen Wellenlängen erhalten werden. Außerdem kann die Frequenz der Mikrowellensonde auf irgendeinen speziellen Absorptionsübergang abgestimmt werden, um eine örtliche chemische Verteilung abzubilden.
Die Erfindung kann vorteilhaft eingesetzt werden, um elektronische Schaltungen zu prüfen, beispielsweise um die Güte von Lötstellen und die Gleichmäßigkeit von Zuleitungen zu prüfen. Die Erfindung bietet insofern Vorteile gegenüber bisherigen Kontaktverfahren, als der spezifische Widerstand in einem Endprodukt durch eine Polymerschutzschicht hindurch gemessen werden kann, da die Polymerschicht signifikant andere Mikrowelleneigenschaften als die darunterliegende Schaltung hat und im allgemeinen die Mikrowellen weniger beeinflußt.
Gleichermaßen kann das Mikrowellen-Mikroskop der Erfindung vorteilhaft zum Charakterisieren von vergrabenen Schnittstellen, insbesondere leitenden Schichten oder Leitungsmustern, die mit mehreren elektrisch isolierenden Schichten, insbesondere Schutzschichten, beschichtet sind, verwendet werden. Die Dicke von leitenden Schichten kann ebenfalls gemessen werden.
Die Dicke der Deckschicht ist zwar nicht grundsätzlich beschränkt; eine dicke Deckschicht verschlechtert jedoch die räumliche Auflösung, da die Schnittstelle stärker in das Fernfeld der Mikrowellenstrahlung fällt. Eine Dicke einer isolierenden Deckschicht von einigen Mikrometern sollte eine angemessene Auflösung der leitfähigen Unterschicht oder Schnittstelle ermöglichen.
Allgemeiner ausgedrückt, die Dicke der Deckschicht sollte nicht auf wesentlich mehr als λ/10 beschränkt sein, um die Unterschicht im Nahfeld zu halten, wobei die Mikrowellen- Wellenlänge λ&sub0; des freien Raums ist, die reduziert ist, um die Dielektrizitätskonstante der Deckschicht zu berücksichtigen.
Biologische Proben können unter Einsatz der Erfindung vorteilhaft abgebildet werden, weil die Mikrowellenstrahlung einen größeren Kontrast als die typischere Strahlung im optischen Spektralbereich bietet. Bei der optischen Bandbreite haben die meisten Materialien eine Brechzahl im Bereich von 1 bis 3.
Bei der Mikrowellenbandbreite ist die Brechzahl jedoch typischerweise gleich dem Gleichstromwert und ändert sich also innerhalb des breiteren Bereichs von 1 bis 10 (und noch höher). Insbesondere ist die Brechzahl von Wasser im Millimeterwellenbereich sehr hoch, 3 bis 9 in Abhängigkeit von der Frequenz, und unterscheidet sich beachtlich von anderen Dielektrika, die typischerweise Brechzahlen im Bereich von 1 bis 2 haben.
Die Erfindung ermöglicht also ein kontrastreiches Abbilden von biologischen Proben und anderen Wasser enthaltenden Gegenständen. Da außerdem die Brechzahl von Wasser im Hochfrequenzband stark von seiner Salzkonzentration abhängt, stellt die Erfindung ein Verfahren zum Messen und Abbilden von örtlicher Salzkonzentration bereit.
Die Erfindung ist beim Abbilden des örtlichen Übergangs zwischen flüssigem Wasser und Eis besonders vorteilhaft, weil der Hochfrequenzkontrast zwischen Wasser und Eis viel größer ist als der optische Kontrast.
Die Erfindung ermöglicht eine sehr lokale Radiometrie beim Messen der Schwarzkörperstrahlung, d. h. der Temperatur von Oberflächen. Ein einfacher Radiometrietyp benötigt keine Quelle für Mikrowellenstrahlung. Stattdessen werden eine passive Mikrowellensonde und ein Detektor abtastend über die Probenoberfläche geführt.
Die Probe selbst liefert die Mikrowellenstrahlung im Mikrowellenbereich der Verteilung ihrer Schwarzkörperstrahlung. Eventuelle Änderungen der örtlichen Temperatur, des Wärmeabgabevermögens oder einer anderen lokalen Erregung sind mit Auflösungen meßbar, die der Mikrowellensonde der Erfindung zugeordnet sind.
Bisher wurde das thermische Abbilden im Fernfeld durchgeführt. Bei der Erfindung kann eine Sonde die Oberfläche im Nahfeld abtasten und eine stark verbesserte Auflösung der Temperaturverteilung an der Oberfläche der Probe, beispielsweise heiße Stellen in einer integrierten Schaltung, zeigen.
Die Erfindung kann auf verschiedene Weise verbessert werden.
Wir haben beobachtet, daß ein einfach konvex gekrümmtes Sondenende die Auflösung um einen Faktor drei verbessern kann. Andere konvexe Formen, einschließlich kugelförmig und teilkugelförmig, können bei der Erfindung verwendet werden und eine noch bessere Auflösung liefern.
Der Wellenleiter kann mit einem Dielektrikum gefüllt sein. Die Brechzahl vieler Materialien im Mikrowellen- und Millimeterbereich sind sehr hoch, n 3-10, im Gegensatz zu dem optischen Wellenband, in dem n 1-2 ist. Es ist also möglich, einen W-Band-Wellenleiter mit Dimensionen von 0,35 mm · 0,15 mm dielektrisch zu füllen, um Mikrowellen im Bandbereich von 75 bis 110 GHz zu stützen.
Ein solcher Wellenleiter kann durch Beschichten eines Dielektrikums mit den passenden Dimensionen hergestellt werden. Das dielektrische Beladen des gesamten Sondenwellenleiters gestattet die Verwendung eines Wellenleiters mit kleinen Dimensionen mit Mikrowellen, die relativ lange Wellenlängen im freien Raum haben. Der kleinere Wellenleiter ermöglicht eine feinere Auflösung.
Die Erfindung kann dazu eingesetzt werden, eine helle Mikrowellenquelle mit einer optischen Quelle zu kombinieren und eine Wechselwirkung zwischen der Mikrowellen- und der optischen Strahlung zu messen. Die intensive Mikrowellenquelle gemäß der Erfindung ersetzt thermische Abbildungssysteme, die auf optischen Systemen beruhen.
Solche Techniken umfassen derzeit das lokale Hochleistungs- Abbilden von Halbleitern mit einem ausreichenden Wert, um Elektron-Loch-Paare anzuregen, die dann von dem beleuchteten Fleck diffundieren. Bei einer anderen Anwendung wird das Reflexionsvermögen eines benachbarten Flecks abgetastet, um das Zwischen-Diffusionsvermögen zu bestimmen.

Claims

1. Mikrowellen-Mikroskop zum Charakterisieren einer Oberfläche (36), wobei das Mikrowellen-Mikroskop folgendes aufweist:

eine Quelle (56) für Mikrowellenstrahlung (56);

einen Mikrowellen-Wellenleiter (12) zum Empfangen der Mikrowellenstrahlung von der Quelle an einem ersten Ende und mit einer Öffnung (34) in einer Wand (32) an einem zweiten Ende;

dadurch gekennzeichnet,

daß die Öffnung eine rechteckige Öffnung ist, die eine erste Dimension (a') aufweist, die nahezu in Resonanz mit der Mikrowellenstrahlung ist, und eine zweite Dimension (b') aufweist, die wesentlich kleiner als die erste Dimension ist.

2. Mikrowellen-Mikroskop nach Anspruch 1, weiterhin mit einem Tisch (52), auf dem die Oberfläche angebracht ist und der relativ zu dem Wellenleiter (12) beweglich ist.

3. Mikrowellen-Mikroskop nach Anspruch 2, wobei der Tisch in zwei Dimensionen (x, y) in einer Ebene beweglich ist, die zu einer Ausbreitungsrichtung des Wellenleiters senkrecht ist.

4. Mikrowellen-Mikroskop nach Anspruch 1, weiterhin mit einem Mikrowellen-Detektor (66) zum Detektieren von Mikrowellenstrahlung, die durch die Öffnung emittiert wird und mit der Oberfläche in Wechselwirkung tritt.

5. Mikrowellen-Mikroskop nach Anspuch 4, wobei der Mikrowellen-Detektor mit dem Mikrowellen-Wellenleiter (12) gekoppelt ist, so daß das Mikrowellen-Mikroskop in der Lage ist, in einem Reflexions-Modus zu arbeiten.

6. Mikrowellen-Mikroskop nach Anspruch 4, wobei der Mikrowellen-Detektor auf einer von der Öffnung entgegengesetzten Seite (76) der Oberfläche angeordnet ist, so daß das Mikrowellen-Mikroskop in der Lage ist, in einem Transmissions-Modus zu arbeiten.

7. Mikrowellen-Mikroskop nach Anspruch 4, wobei der Mikrowellen-Detektor (66) dazu ausgelegt ist, zusätzlich eine Phase (82) der detektierten Strahlung relativ zu der emittierten Strahlung zu detektieren.

8. Mikrowellen-Mikroskop nach Anspruch 1, wobei ein der Oberfläche zugewandtes Ende des Mikrowellen- Wellenleiters in einer Richtung längs der ersten Dimension oder in mehr als einer Richtung gekrümmt (32) ist.

9. Mikrowellen-Mikroskop nach Anspruch 1, wobei das Ende des Mikrowellen-Wellenleiters eine Metallfolie aufweist.

10. Mikrowellen-Mikroskop nach Anspruch 1, wobei das Ende des Mikrowellen-Wellenleiters eine aufgebrachte Metallschicht aufweist.

11. Mikrowellensonde, die folgendes aufweist:

einen Mikrowellen-Wellenleiter (12); und

ein metallisches Ende (32), das an dem Wellenleiter angeordnet ist und in dem eine rechteckige Öffnung (34) ausgebildet ist;

dadurch gekennzeichnet,

daß die Öffnung eine erste Dimension (a') aufweist, die mit der von dem Wellenleiter übertragenen Mikrowellenstrahlung nahezu in Resonanz ist, und eine zweite Dimension (b') aufweist, die wesentlich kleiner als die erste Dimension ist,

und daß das Ende längs der ersten Dimension konvex gekrümmt ist.

12. Mikrowellensonde nach Anspruch 11, weiterhin mit einer Mikrowellenquelle (56), die Mikrowellen in dem Wellenleiter mit einer Wellenlänge λ erzeugt, wobei die erste Dimension näher bei λ/2 als bei λ liegt.

13. Mikrowellensonden nach Anspruch 11,

wobei der Mikrowellen-Wellenleiter ein rechteckiger Wellenleiter mit einer kurzen Dimension und einer langen Dimension ist,

wobei die erste Dimension der Öffnung ' ist und die zweite Dimension der Öffnung ' ist, und

wobei die nachfolgende Bedingung in etwa erfüllt ist:

14. Mikrowellensonde nach Anspruch 11, wobei das metallische Ende eine Metallfolie aufweist.

15. Mikrowellensonde nach Anspruch 11, wobei das metallische Ende eine aufgebrachte Metallschicht aufweist.

16. Verfahren zum Abtasten einer Oberfläche (36) hinsichtlich ihrer elektrischen Eigenschaften, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

Positionieren eines metallischen Endes (32) einer Mikrowellensonde (30) in einer Höhe über der zu charakterisierenden Oberfläche, wobei die Mikrowellensonde einen Mikrowellen-Wellenleiter (12) aufweist, der in dem metallischen Ende abgeschlossen ist; und

Abtasten der Oberfläche mittels der Mikrowellensonde;

dadurch gekennzeichnet,

daß in dem metallischen Ende eine im wesentlichen rechteckige Öffnung ausgebildet ist, die eine lange Dimension (a') aufweist, die wesentlich länger ist als die Höhe, sowie eine kurze Dimension (b') aufweist, die wesentlich kürzer ist als die lange Dimension, die mit der Mikrowellenstrahlung nahezu in Resonanz ist.

17. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem weiterhin eine Intensität der Mikrowellenstrahlung gemessen (66) wird, die von der Sonde emittiert wird und mit der Oberfläche in Wechselwirkung tritt.

18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Schritt des Messens wenigstens einen der Parameter von dem spezifischen Widerstand, der Schichtdicke, der Dielektrizitätskonstanten und der Fotoleitfähigkeit der Oberfläche bestimmt.

19. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem weiterhin gleichzeitig eine Phase (82) der Mikrowellenstrahlung, die mit der Oberfläche in Wechselwirkung tritt, relativ zu einer Phase von Mikrowellenstrahlung gemessen wird, die der Sonde durch einen gesteuerten Mikrowellengenerator aufgeprägt wird.

20. Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Ende der Sende in einer Richtung entlang der langen Dimension oder in zwei Querrichtungen konvex gekrümmt (32) ist.

21. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem weiterhin dem Wellenleiter Mikrowellenstrahlung (56) aufgeprägt wird.

22. Verfahren nach Anspruch 21, bei dem die lange Dimension nahezu in Resonanz mit der Mikrowellenstrahlung ist.

23. Verfahren nach Anspruch 22, bei dem weiterhin Dimensionen der Öffnungen gewählt werden, um das Ende mit der Öffnung in wesentlichen transparent für Mikrowellenstrahlung zu machen, die von dem Wellenleiter übertragen wird.

24. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem die Mikrowellensonde Mikrowellenstrahlung von der Oberfläche empfängt, die in einem Körper erzeugt wird, der die Oberfläche beinhaltet, so daß in dem Abtastschritt eine radiometrische Abtastung der Oberfläche ausgeführt wird.

25. Verfahren nach Anspruch 16,

wobei die Oberfläche eine isolierende Oberschicht und eine Unterschicht mit wesentlich höherer Leitfähigkeit aufweist und

wobei in dem Positonierschritt eine Positionierung der Unterschicht in einem Nahfeld der Öffnung des Mikrowellen- Wellenleiters erfolgt.

26. Verfahren nach Anspruch 25,

wobei weiterhin Mikrowellenstrahlung mit einer Wellenlänge λ&sub0; auf den Mikrowellen-Wellenleiter aufgeprägt wird, und

wobei die Unterschicht von der Öffnung um nicht mehr als λ/10 von der Öffnung verlagert ist, wobei λ eine Wellenlänge der Mikrowellenstrahlung in der Oberschicht ist.

27. Verfahren nach Anspruch 16, wobei das metallische Ende eine Metallfolie aufweist, in der die Öffnung gebildet ist.

28. Verfahren nach Anspruch 16, wobei das metallische Ende eine aufgebrachte Metallschicht aufweist, in der die Öffnung gebildet ist.