DE69627187T2

DE69627187T2 - Integrierter silikonprofilmesser und rastersonde

Info

Publication number: DE69627187T2
Application number: DE69627187T
Authority: DE
Inventors: P. Neukermans; G. Slater
Original assignee: Xros Inc
Current assignee: Xros Inc
Priority date: 1995-12-11
Filing date: 1996-12-10
Publication date: 2003-11-13
Anticipated expiration: 2016-12-11
Also published as: DE69627187D1

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf das Gebiet der Messtechnik, das sich mit einer Messung von einer Oberflächentopologie befasst und spezieller auf Konturmessung und auf atomare Kraft-Mikroskopie ("AFM"), manchmal auch bezeichnet als Raster-Kraft-Mikroskopie ("SFM").

Fachgebietshintergrund

Neuerdings hat sich das Gebiet von Oberflächen-Konturmessung stark ausgedehnt. Zusätzlich zu Fortschritten bei klassischer Konturmessung haben die entstehenden Gebiete der Tunnel-Kraft-Mikroskopie und AFM die Bedeutung, den Anwendungsbereich und die Möglichkeiten der konturmessenden Technologie stark erweitert.
Klassische Konturmessung tastet eine Oberfläche entlang orthogonaler x- und y- Achsen-Richtungen ab unter Verwendung eines Stiftes mit einer Spitze aus Diamant während der vertikale (z-Achse) Versatz des Stiftes gemessen wird. Bei vielen kommerziellen Geräten ist der Stift mit einem linear variierbaren Differenzialübertragungs ("LVDT")-Sensor oder einer kapazitiven Platte zur Erfassung des vertikalen Versatzes des Stiftes verbunden. Typischerweise schließt der Stift einen verlängerten Stab ein, der durch ein Paar von koaxialen Drehgelenken festgehalten wird, während das andere Ende des Stiftes an dem Erfassungsmechanismus des z-Achsen-Versatzes gekoppelt ist, z. B. entweder eine Platte eines Kondensators bei einem kapazitiven Sensor oder eine ferromagnetische Spule des LVDT- Sensors.
Sehr empfindliche Biegegelenk-Zusammenbaue werden üblicherweise zum Tragen des Stiftes benutzt, der bei klassischer Konturmessung verwendet wird. Die Komponenten eines solchen Biegegelenk-Zusammenbaus sind klein, empfindlich, erfordern Präzisionsmontage und sind deswegen teuer in der Herstellung. Zusätzlich neigt eine Erstellung solcher Stift-Zusammenbaue aus getrennten Komponenten dazu, sie verhältnismäßig groß zu machen und die Erfassungselemente an die sie koppeln sind auch relativ groß. Deshalb sind Konturmessköpfe einschließlich des Stiftes im Allgemeinen größer als wünschenswert. Folglich sprechen Konturmessköpfe allgemein auf vertikale Versetzungen langsam an und die Abtastgeschwindigkeit, bei der Konturmesser arbeiten wird durch das Trägheitsmoment des Konturmesskopfs begrenzt. Daher macht eine Verbesserung der Wirkungsweise des Konturmessers unter gleichzeitiger Verminderung ihrer Herstellungskosten und Kontaktkraft filigranere, kleinere, leichtere, schnellere und billigere Konturmessköpfe sehr wünschenswert.
Das neuere Entwicklungsgebiet von AFM zur Messung einer Oberflächentopographie verwendet allgemein eine sehr leichte, mikrobearbeitete, biegbare Cantileversonde, die eine scharfe Spitze zur Erfassung einer Oberflächentopologie in atomaren Dimensionen besitzt. Systeme zur Detektion einer sehr kleinen vertikalen Versetzung eines AFM- Messfühlers, z. B. optische Strahl-Ablenkung oder optische Interferometrie sind jedoch im Allgemeinen viel größer als der Cantilever selbst. Als Folge ist es allgemein schwierig einen Rastersonden-Zusammenbau so schnell wie für eine Hochgeschwindigkeitsabtastung gewünscht zu bewegen. Herkömmlicherweise umgingen AFM-Systeme dieses Problem, indem sie den Messkopf-Zusammenbau stationär hielten, während die Probe entlang orthogonaler x- und y-Achsen bewegt wurde. Auch wenn ein solches System kleine Proben leicht während einer AFM-Abtastung bewegen kann ist es allgemein ungeeignet für die Verwendung bei großen Proben, wie Halbleiter Wafer oder Scheiben für magnetischen Aufnahmen, deren Durchmesser einige Inch beträgt.
Dementsprechend erfordert AFM notwendigerweise nicht nur einen physikalisch kleinen AFM-Messfühler sondern die sich entwickelnde AFM-Technologie und Durchführung macht einen entsprechend kleinen, leichtgewichtigen und kompakten Sensor zur Entdeckung des z-Achsenversatzes der AFM-Sonde wünschenswert. Eine Integration eines kompakten Sensors für vertikale Versetzung in einen AFM-Messfühler würde eine kleine, leichtgewichtige und kompakte Rastersonde mit einer niedrigen Masse ergeben. Ein solcher AFM-Messfühler mit niedriger Masse würde eine sehr schnelle Hochgeschwindigkeitsabtastung entlang orthogonaler x-Achsen- und y-Achsen-Richtungen durch kleine und kompakte x-Achsen- und y-Achsen-Antriebe erlauben.
Bezogen nun auf Fig. 1 ist dort ein AFM- oder Profilmesssystem bezeichnet mit dem allgemeinen Referenzzahlzeichen 20 gezeigt. Das System 20 schließt einen xy- Achsenantrieb 22 ein auf dem eine Probe 24 liegt. Der xy-Achsenantrieb 22 tastet die Probe 24 seitlich ab bezüglich eines Erfassungskopfs 26 entlang einer x-Achse 32 und einer y-Achse 34, die orthogonal zueinander sind oder entlang irgendwelchen anderen willkürlichen Achsen, die erhalten werden durch zusammengesetzte Bewegung entlang der x-Achse 32 und der y-Achse 34. Bei dem Beispiel einer AFM kann, um schnelle Bewegung entlang der Achsen 32 und 34 zu liefern der xy-Achsenantrieb 22 mit einer piezoelektrischen Röhre versehen werden, die vier Quadrant-Elektroden besitzt. Während der xy-Achsenantrieb 22 die Probe 24 seitlich bewegt, kontaktiert eine Sondenspitze oder ein Stift 36 leicht eine obere Fläche 38 der Probe 24, während er sich nach oben und unten vertikal parallel zu einer z-Achse 42 bewegt als Antwort auf die Topologie der oberen Fläche 38. Bei der Darstellung in Fig. 1 ist die Sondenspitze oder der Stift 36 am entfernten Ende eines länglichen Cantileverarms 44 befestigt, der sich von dem Erfassungskopf 26 nach außen erstreckt. Der Erfassungskopf 26, der, wenn notwendig mit Servounterstützung nach oben und unten parallel zu der z-Achse 42 bewegt werden kann erfasst vertikale Ablenkung der Sondenspitze oder des Stiftes 36 durch die Topologie der oberen Fläche 38 der Probe. Ein Signal, das von dem Erfassungskopf 26 zur irgend einer Art von Signalverarbeitungsvorrichtung übermittelt wird, erlaubt eine Speicherung und/oder Anzeige der Topologie der oberen Fläche 38, wie sie durch das System 20 entdeckt wird.
AFM-Anwendungen von Systemen, wie die des Systems 20 erfahren eine beträchtliche Kreuzkopplung zwischen Bewegungen entlang der gegenseitig rechtwinkligen Achsen 32, 34 und 42. Als Folge ist eine Bewegung der Probe 24 bezüglich des AFM- Erfassungskopfs 26 und oft sogar die Messung einer solchen Bewegung ungenügend genau für Messanwendungen. Als Folge kann gegenwärtig die AFM-Leistung hinreichend für eine Abbildung aber nicht für eine Messung sein. Die Masse der Probe 24 selbst (wie ein Halbleiter-Wafer von 8 Inch Durchmesser) behindert eine präzise Hochgeschwindigkeitsbewegung der Probe 24. Deshalb erfordert eine schnelle Abtastung einer massiven Probe 24 ein fixiertes Festhalten der Probe 24, während der Erfassungskopf 26 abtastet.
Fig. 2 zeigt eine alternative Ausführung eines AFM- oder Profilmesssystems entsprechend dem Stand der Technik. Die Elemente aus Fig. 2, die mit dem AFM- oder Profilmesssystem, das in Fig. 1 gezeigt ist übereinstimmen tragen das selbe Referenzzahlzeichen unterschieden durch eine Strich (')- Bezeichnung. Bei dem System 20' gezeigt in Fig. 2 ruht die Probe 24' auf einer Grundplatte 48, die auch einen xy-Tisch 52 trägt. Bei der Abtastung von Probe 24' unter Verwendung des Systems 20' bewegt der xy-Tisch 52 den Erfassungskopf 26', der den Cantileverarm 44' trägt parallel zu der orthogonalen x-Achse 32' und y-Achse 34' oder entlang irgendwelchen anderen willkürlichen Achsen, die erhalten werden durch zusammengesetzte Bewegung entlang der x- Achse 32' und der y-Achse 34'.
E. Clayton Teague, et al. berichtet in einem technischen Artikel mit dem Titel "Para-flex Stage for Microtopographic Mapping" herausgegeben im Januar 1988 in der Ausgabe des Review of Scientmc Instruments Bd.59, S. 67-73 (»der Teague et al. Artikel") eine Entwicklung eines monolithischen Paraflex xy-Tisches 52, von dem der Artikel angibt, dass er aus Metall durch maschinelle Bearbeitung hergestellt wird. Die Ausführungen der monolithischen Platte eines solchen xy-Tisches 52 ist sowohl in Fig. 3a als auch in Fig. 3b gezeigt. Der xy-Tisch 52, gezeigt in beiden Figuren, schließt einen äußeren Untersatz 62 ein, der bezüglich des Systems 20' fixiert ist. Der äußere Untersatz 62 ist mit einem y-Achsen-Tisch 64 verbunden und trägt diesen mit vier Tischträgern 66. Jeder der Tischträger 66 besteht aus einem Zwischenstab 68, dessen eines Ende mit dem äußeren Untersatz 62 durch ein Biegelement 72 verbunden ist und dessen anderes, entferntes Ende des Zwischenstabs mit dem y-Achsen-Tisch 64 durch ein zweites symmetrisches Biegeelement 72 verbunden ist. Ähnlich zu der Verknüpfung des äußeren Untersatzes 62 mit dem y-Achsen-Tisch 64 ist der y-Achsen-Tisch 64 mit dem x- Achsen-Tisch 74 verbunden und trägt diesen durch vier Tischträger 66, die identisch mit den Tischträgern 66 sind, welche den äußeren Untersatz 62 mit dem y-Achsen-Tisch 64 verbinden. Die Tischträger 66, welche den äußeren Untersatz 62 mit dem y-Achsen- Tisch 64 und die Tischträger 66, welche den y-Achsen-Tisch 64 mit dem x-Achsen-Tisch 74 verbinden sind rechtwinklig zueinander orientiert. Als Folge bewegt sich der innere x- Achsen-Tisch 74 im Wesentlichen rechtwinklig zu der Bewegung des y-Achsen-Tisches 64, wobei sich beide Tische 64 und 74 mit großer Genauigkeit bezüglich des äußeren Untersatzes 62 bewegen. Eine Bewegung der Tische 64 und 74 bezüglich des äußeren Untersatzes 62 wird bewirkt durch ein Paar von gegenseitig rechtwinkligen schrittmotorgesteuerten Mikrometerschraubenantrieben, die in keiner der Figuren gezeigt sind und die jeweils eine Schubstangenverbindung zu dem y-Achsen-Tisch 64 und x-Achsen- Tisch 74 besitzen. Die Schraubenantriebe erstrecken sich von der Außenseite des äußeren Untersatzes 62 durch Antriebsöffnungen 76, um jeweils den y-Achsen-Tisch 64 und x-Achsen-Tisch 74 zu kontaktieren. Der xy-Tisch 52, der in Fig. 3b gezeigt ist unterscheidet sich von dem, der in Fig. 3a gezeigt ist darin, dass die Tischträger 66, welche den y-Achsen-Tisch 64 mit dem x-Achsen-Tisch 74 verbinden gefaltet sind, was den Platz, der durch den xy-Tisch 52 besetzt wird reduziert. Der xy-Tisch 52, über den durch C. Teague, et al. berichtet wird, liefert eine genaue Bewegung entlang zueinander rechtwinkliger Achsen 32' und 34'. Der xy-Tisch 52, der in den Fig. 3a und 3b gezeigt ist, liefert jedoch keine Bewegungsverstärkung.
Fig. 4 zeigt das Biegeelement 72, das an dem xy-Tisch 52, der in Fig. 3b dargestellt ist gezeigt ist. Das Biegeelement 72 verwendet ein Paar von Stegen 82, die in einer W- förmigen Konfiguration angeordnet sind, um sich zwischen dem äußeren Untersatz 62 und dem Zwischenstab 68, zwischen dem Zwischenstab 68 und dem y-Achsen-Tisch 64, zwischen dem y-Achsen-Tisch 64 und dem Zwischenstab 68 und zwischen dem Zwischenstab 68 und dem x-Achsen-Tisch 74 zu erstrecken. Das Biegeelement 72, das in Fig. 4 gezeigt ist erlaubt sowohl ein longitudinales Strecken als auch ein Rotieren.
Wenn der xy-Tisch 52 mit konventionellen Techniken hergestellt wird und sogar bei einem monolithischen xy-Tisch 52, wie er in dem Teague et al. Artikel offengelegt ist beträgt die Resonanzfrequenz typischerweise ein paar Hundert Hz. Schrittmotorgesteuerte Mikrometerschraubenantriebe oder andere Formen von Schubstangen zum Versatz des xy-Tisches 52 sind typischerweise auf einen Betrieb bei relativ niedriger Frequenz begrenzt. Als Folge kann der xy-Tisch 52 eines AFM nur mit relativ niedriger Geschwindigkeit bedient werden.
Neuere Fortschritte bei reaktiven Ionenätzprozessen und bei Vorrichtungen zum Ätzen von Silizium erlauben eine Ausbildung von tiefen vertikalen Strukturen. Zum Beispiel liefert der neue Alcatel-Ätzer Ätzseitenverhältnisse von 30011 und erlaubt damit ein Ätzen durch Wafer, die einige Hundert Mikrometer dick sind. Andere Ätzer, die eine ähnliche Leistung besitzen sind jetzt verfügbar. Einige Techniken zum Nassätzen (wie das [100]- Orientierungsätzen) können auch verwendet werden, um Strukturen herzustellen, die entsprechend große Seitenverhältnisse besitzen. Diese verbesserten Prozesse erlauben einen Aufbau von Strukturen metrologischer Präzision mit makroskopischen Abmessungen mit. Dieses Verfahren macht es deshalb möglich Strukturen mit Seitenverhältnissen aufzubauen, die normalerweise nur durch EDM (Funkenerosion) von Metallen erreicht werden können. Diese Fortschritte in der Herstellungstechnologie von mikrobearbeitetem Silizium erlauben die Ausführung von klassischen Konstruktionen für den xy-Tisch 52, um metrologische Qualität zu liefern.

Offenlegung der Erfindung

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen AFM-xyz-Tisch zu liefern, der ein sehr schnelles Ansprechen besitzt.
Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen xy-Tisch metrologischer Qualität zu liefern.
Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen AFM-xyz-Tisch zu liefern, der einfacher in der Herstellung ist.
Kurz die vorliegende Erfindung ist ein mikrobearbeiteter xyz-Tisch, der verschiedene unterschiedliche Typen von Abtastmikroskopsensoren wie den oben beschriebenen Topographsensor oder einen optischen Nahfeld-, Tunnel- oder Felsemissionsmikroskopsensor trägt und zur x-Achsen-, y-Achsen- und z-Achsen-Verschiebung führt. Der xyz- Tisch schließt einen äußeren Tischuntersatz ein, der angepasst ist, um stationär gehalten zu werden bezüglich einer abzutastenden Oberfläche. Der äußere Tischuntersatz ist verbunden mit und trägt einen Zwischen-x-Achsen-Tisch über eine Vielzahl von Biegeelementen, die zwischen dem äußeren Tischuntersatz und dem Zwischen-x-Achsen- Tisch angeordnet sind. Wenigstens eines der Biegeelemente, die zwischen dem Tischuntersatz und dem x-Achsen-Tisch koppeln besitzt einen Scherspannungssensor, der darin ausgebildet ist, um Spannung in diesem Biegeelement zu erfassen. Der Zwischen- x-Achsen-Tisch ist verbunden mit und trägt einen inneren y-Achsen-Tisch über eine Vielzahl von Biegeelementen. Wenigstens eines der Biegeelemente, die zwischen dem x-Achsen-Tisch und dem y-Achsen-Tisch koppeln besitzt einen Scherspannungssensor, der darin ausgebildet ist, um Spannung in diesem Biegeelement zu erfassen. Der Tischuntersatz, der x-Achsen-Tisch, der y-Achsen-Tisch und die Biegeelemente sind alle monolithisch aus einem Halbleiter-Wafer hergestellt. Ein z-Achsen-Tisch kann auch eingeschlossen werden, um einen integrierten xyz-Tisch zu liefern.
Die vorliegende Erfindung schließt auch einen mikrobearbeiteten topographischen Kopf ein, der angepasst ist für eine Verwendung bei der Topographieerfassung einer Oberfläche, der einen äußeren Rahmen besitzt, aus dem Torsionsstäbe nach innen vorstehen, um einen Mittelflügel zu tragen. Die Torsionsstäbe sind entlang einer gemeinsamen Achse ausgerichtet und erlauben es damit dem Mittelflügel um die gemeinsame Achse zu rotieren. Der Rahmen, die Torsionsstäbe und der Mittelflügel sind alle monolithisch aus einem Halbleiter Einkristall-Siliziumwafer hergestellt. Der Mittelflügel bildet eine Ruheebene, wenn keine äußere Kraft auf den Mittelflügel ausgeübt wird und ist um die gemeinsame Achse durch eine Kraft, die auf den Mittelflügel ausgeübt wird drehbar. Der Mittelflügel enthält auch eine Spitze, die von dem Mittelflügel von den Torsionsstäben entfernt nach außen vorsteht, wobei die Spitze zum Erfassen der Topografie einer Oberfläche eingerichtet ist. Der topographische Kopf enthält auch eine Antriebseinrichtung zur Übertragung einer Drehbewegung auf den Mittelflügel um die gemeinsame Achse und eine Drehpositions-Erfassungseinrichtung, welche die Drehposition des Mittelflügels um die gemeinsame Achse der Torsionsstäbe misst.
Der bevorzugte z-Achsen-Tisch ist in vieler Hinsicht dem oben beschriebenen topographischen Kopf ähnlich. Der bevorzugte z-Achsen-Tisch besitzt Torsionsstäbe, die von gegenüberliegenden Seiten des y-Achsen-Tisches nach innen vorstehen. Die Torsionsstäbe sind entlang einer gemeinsamen Achse ausgerichtet, um einen z-Achsen-Flügel innerhalb des y-Achsen-Tisches zu tragen. Die Torsionsstäbe und der z-Achsen-Flügel sind vorzugsweise monolithisch aus einer Halbleiter-Einkristall-Silizium-Schicht eines Substrats zusammen mit dem Tischuntersatz, dem x-Achsen-Tisch, dem y-Achsen- Tisch und den Biegeelementen hergestellt. Die Torsionsstäbe tragen den z-Achsen- Flügel in dem y-Achsen-Tisch für eine Drehung um die gemeinsame Achse der Torsionsstäbe. Eine äußere Kraft wird auf den z-Achsen-Flügel ausgeübt und veranlasst den z-Achsen-Flügel sich um die gemeinsame Achse an eine Drehposition hin zu drehen, die von der Ruheebene des z-Achsen-Flügels verschoben ist. Der z-Achsen-Tisch enthält eine Antriebseinrichtung, vorzugsweise piezoelektrische Scheiben, die den z- Achsen-Flügel zwingt, sich um die gemeinsame Achse der Torsionsstäbe zu drehen. Eine Drehpositions-Erfassungseinrichtung, die vorzugsweise in die Torsionsstäbe integriert ist, misst die Drehposition des z-Achsen-Flügels um die gemeinsame Achse der Torsionsstäbe.
Der z-Achsen-Tisch des xyz-Tisches kann einen AFM-Sensor führen, der den xyz Tisch anpasst die Topografie einer Oberfläche zu erfassen. Spezieller kann die Rastersonde der oben beschriebene topographische Kopf sein. Entsprechend enthält der AFM- Sensor, der durch den z-Achsen Tisch geführt wird Torsionsstäbe, die von gegenüberliegenden Seiten eines äußeren Rahmens nach innen vorstehen und entlang einer gemeinsamen Achse ausgerichtet sind, um einen Mittelflügel in dem y-Achsen-Tisch zu tragen. Die Torsionsstäbe und der Mittelflügel sind alle monolithisch aus einer Halbleiter- Einkristall-Silizium-Schicht eines Substrats hergestellt. Der Mittelflügel wird für eine Drehung um die gemeinsame Achse der Torsionsstäbe getragen und bildet eine Ruheebene, wenn keine äußere Kraft auf den Mittelflügel ausgeübt wird. Eine Kraft, die auf den Mittelflügel ausgeübt wird kann ihn um die gemeinsame Achse der Torsionsstäbe zu einer Drehposition drehen, die gegenüber der Ruheebene verschoben ist. Der Mittelflügel enthält eine Spitze, die von einem Ende des Mittelflügels entfernt von den Torsionsstäben nach außen vorsteht. Die Spitze ist zum Anliegen an einer Fläche eingerichtet, um die Topografie derselben zu erfassen.
Die vorausgehende Erfindung liefert eine Integration der mechanischen Komponenten und der elektrischen Sensoren, die von einem topographischen Kopf benötigt werden in Silizium. Dementsprechend vergrößert die vorliegende Erfindung die Leistung von Profilmessern und AFM's beträchtlich und reduziert ihre Größe, während sie zu gleichen Zeit ihre Kosten reduziert.
Diese und andere Eigenschaften, Ziele und Vorteile werden jemanden mit normaler Sachkenntnis verständlich oder einsichtig aus der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführung, wie sie in den verschiedenen Zeichnungsfiguren dargestellt ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Schemabild, das eine Ausführung eines AFM- oder Profilmesssystems entsprechend dem Stand der Technik zeigt, bei dem ein xy-Tisch eine Probe seitlich bewegt, während eine vertikale (z-Achse) Ablenkung einer Fühlerspitze oder eines Stiftes erfasst wird;
Fig. 2 ist ein Schemabild, das eine alternative Ausführung eines AFM- oder Profilmesssystems entsprechend dem Stand der Technik zeigt, bei dem eine Probe stationär gehalten wird, während ein xy-Tisch einen Messkopf seitlich bewegt, während der Kopf eine vertikale (z-Achse) Ablenkung einer Fühlerspitze oder eines Stiftes erfasst;
Fig. 3a und 3b sind mit Draufsichten veranschaulichte alternative Ausführungen eines monolithischen Paraflex xy-Tisches, der für eine Verwendung in einem AFM des Typs, über den durch C. Teague, et al. berichtet wurde angepasst ist;
Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Biegeelement zeigt, das in dem monolithischen Paraflex xy-Tisch, der in Fig. 3a und 3b dargestellt ist eingebaut ist;
Fig. 5 ist eine Draufsicht, die den Rahmen, den Torsionsstab und den Mittelflügel eines topographischen Kopfes in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 5a ist eine Schnittansicht des topographischen Kopfes, der in Fig. 5 gezeigt ist, entnommen entlang der Linie 5a-5a;
Fig. 6a und 6b sind Draufsichten, die alternative Ausführungen eines Torsionssensors mit vier Endstellen zeigen, der sich auf einem Torsionsstab befindet, entnommen entlang einer Linie 6-6 aus Fig. 5;
Fig. 6c ist eine Draufsicht ähnlich den Draufsichten aus Fig. 6a und 6b, die noch eine andere alternative Ausführung eines Torsionssensors zeigt, der jedoch nur drei Endstellen besitzt;
Fig. 7 ist eine Draufsicht eines mikrobearbeiteten xyz-Abtast-Tisches in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, der angepasst ist für die Verwendung in einem AFM, das Biegeelemente verwendet, um eine seitliche Bewegung des xy-Abtast- Tisches bezüglich einer Probe zu erlauben;
Fig. 8a und 8b sind alternative Draufsichten eines Biegeelements, das in dem xy- Abtast-Tisch in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung enthalten ist, entnommen entlang der Linie 16-16 aus Fig. 7;
Fig. 9a ist eine vergrößerte Draufsicht eines z-Achsen-Tisches, der in dem xyz-Abtast- Tisch enthalten ist, entnommen innerhalb der Linie 17-17 aus Fig. 7;
Fig. 9b ist eine Schnittansicht des z-Achsen Tisches entnommen entlang der Linie 17b- 17b aus Fig. 9a, welche die Herstellung des xyz-Abtast-Tisches aus verbundenen Siliziumwafern zeigt;
Fig. 10 ist eine Schnittansicht eines xy-Abtast-Tisches ähnlich der Ansicht aus Fig. 9b, welche den Zusammenbau und die Verbindung des xy-Abtast-Tisches aus einem Stapel von Siliconwafern zeigt, von denen jeder vorher einem Prozess unterworfen wurde, um individuelle xy-Abtast-Tische zu bilden; und
Fig. 11 ist eine Schnitt-Draufsicht, die Piezoscheiben zeigt, die in einer Konfiguration mit der Vorderseite zueinander angeordnet sind und in einer Greifer-Anordnung befestigt sind.

Bestes Verfahren zur Ausführung der Erfindung

Fig. 5 zeigt einen mikrobearbeiteten topografischen Kopf in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, der durch das allgemeine Referenzzahlzeichen 100 gekennzeichnet ist und der eingerichtet ist zur Verwendung bei einer Topografie-Erfassung einer Oberfläche. Der topografische Kopf 100 enthält einen ebenen Rahmen 102 von dem aus ein Paar von gegenüberliegenden Torsionsstäben 104 nach innen vorstehen. Die Torsionsstäbe 104 sind entlang einer gemeinsamen Achse 106 ausgerichtet und tragen einen Mittelflügel 108 innerhalb des Rahmens 102. Während Fig. 5a zeigt, dass der Torsionsstab 104 eine rechteckige Schnittfläche besitzt, müssen die Torsionsstäbe 104 nicht notwendigerweise das dort gezeigte Seitenverhältnis besitzen. Die Schnittfläche der Torsionsstäbe 104 kann in Wirklichkeit quadratisch, rund oder trapezförmig sein. Der Rahmen 102, die Torsionsstäbe 104 und der zentrale Flügel 108 sind alle monolithisch aus einer Halbleiter-Einkristall-Silizium-Schicht eines Substratwafers hergestellt. Der Mittelflügel 108 ist um die gemeinsame Achse 106 der Torsionsstäbe 104 drehbar. Wenn man einen üblichen [100] orientierten Siliziumwafer verwendet, sind die Torsionsstäbe 104 vorzugsweise entlang der kistallografischen Richtung [100] oder der kistallografischen Richtung [110] orientiert. Die Torsionsstäbe 104 können durch eine Umwandlung einer Oberflächenschicht von diesen zu Siliziumcarbid oder Siliziumnitrid gehärtet werden. Die physikalischen Eigenschaften der Torsionsstäbe 104 im Verhältnis zu dem Mittelflügel 108 speziell bezüglich der Vibrations-Schwingungszustände sind diejenigen, die in dem U.S. Patent US- 5,629,790 beschrieben sind.
Wenn keine äußere Kraft auf den z-Achsen-Flügel 108 ausgeübt wird, bildet eine ebene Fläche 112 des Mittelflügels 108 eine Ruheebene 114, die in Fig. 5a gezeigt ist. Wenn eine äußere Kraft auf den Mittelflügel 108 ausgeübt wird, wird der Mittelflügel 108 gegenüber der Ruheebene 114 verschoben, wie es durch einen gebogenen Pfeil 116 angezeigt wird. Der Mittelflügel 108 enthält auch eine Spitze 118 die von dem Mittelflügel 108 von den Torsionsstäben 104 entfernt nach außen vorsteht. Wie in Fig. 5a gezeigt, ist die Spitze 118 zum Anliegen an einer Fläche 122 von einer Probe 123 eingerichtet, um die Topografie derselben zu erfassen.
Der topografische Kopf 100 schließt vorzugsweise auch einen kleinen Permanentmagneten 124 (oder Elektromagneten) ein, der auf dem Rahmen 102 sitzt und der ein durch einen Pfeil in Fig. 5a angezeigtes magnetisches Feld 126 liefert, dass parallel zu der Ruheebene 114 orientiert ist. Eine ebene Spule 128, die ein Paar Spulenanschlüsse 132 besitzt, die auf den Rahmen 102 über einen der Torsionsstäbe 104 herausgeleitet werden, ist auf der ebenen Fläche 112 des Mittelflügels 108 angebracht. Die ebene Spule 128 kann aus einer Spule mit einer einzigen Wicklung wie in Fig. 5 gezeigt bestehen oder sie kann aus einer Spule mit mehreren Wicklungen bestehen. In dem letzten Fall muss eine Überlappung einer Wicklung oder eine Drahtkontaktierungs- Verbindung zu einem der Spulenanschlüsse 132 geliefert werden. Ein elektrischer Strom, der durch die ebene Spule 128 fließt, erzeugt ein magnetisches Feld, das mit dem magnetischen Feld 126 aus dem Permanentmagneten 124 wechselwirkt, um eine Drehkraft auf den Mittelflügel 108 auszuüben, die den Mittelflügel 108 zwingt, sich um die gemeinsame Achse 106 zu drehen. Eine Drehung des Mittelflügels 108 bezüglich des Rahmens 102 als Antwort auf einen elektrischen Strom durch die ebene Spule 128 erlaubt eine Steuerung der Kraft, welche die Spitze 118 auf die Oberfläche 122 ausübt.
Der Torsionsstab 104, der die Spulenanschlüsse 132 nicht trägt, hat vorzugsweise einen Torsionssensor 142 auf ihm ausgebildet. Der Torsionssensor 142 ist von dem Typ, der sowohl in dem oben zitierten U.S. Patent US- 5,629,790 als auch in dem U.S. Patent Nr. 5,488,862 mit dem Titel "Monolithic Silicon Rate-Gyro With Integrated Sensors " offengelegt am 6. Februar 1996, das von den Erfindern der vorliegenden Anwendung eingereicht wurde beschrieben ist. Wie in den oben zitierten Patenten beschrieben, besitzt der Torsionssensor 142 vorzugsweise vier Sensoranschlüsse 144 aus Metall, die auf dem Rahmen 102 in einzelnen Torsionssensor-Anschlussflächen 146 enden. Die Torsionssensor-Anschlussflächen 146 erlauben ein Verbinden oder eine Lötverbindung zu äußeren Anschlüssen, die in keiner der Figuren gezeigt sind. Ein elektrisches Signal, das durch den Torsionssensor 142 erzeugt wird erlaubt eine Erfassung der Drehposition des Mittelflügels 108 um die gemeinsame Achse 106 der Torsionsstäbe 104 bezüglich des Rahmens 102.
Wie in der Patentanwendung und dem zugeteilten Patent das oben zitiert wurde beschrieben ist und wie detaillierter in den Fig. 6a und 6b gezeigt ist, ist der Torsionssensor 142 vorzugsweise ein Piezo-Sensor mit vier Endstellen. Fig. 6a zeigt eine Ausführung des Torsionssensors 142, bei dem ein elektrischer Strom parallel zu der gemeinsamen Achse 106 fließt. Fig. 6b zeigt eine alternative Ausführung des Torsionssensors 142, bei dem ein elektrischer Strom senkrecht zu der gemeinsamen Achse 106 fließt. Wenn man P-leitendes [100]-Siliziummaterial als ein Substrat für eine Herstellung der Torsionsstäbe 104 verwendet, sollte die kristallographische Richtung der Torsionsstäbe 104 entlang der [100] Achse liegen. Wenn man N-leitendes [100]-Siliziummaterial als ein Substrat für eine Herstellung der Torsionsstäbe 104 verwendet, sollte die kristallographische Richtung der Torsionsstäbe 104 entlang der [110] Achse liegen. Wie oben dargestellt, sind beide dieser kristallographischen Richtungen mit einer Herstellung der Torsionsstäbe 104 kompatibel. Fig. 6a und 6b zeigen auch abgerundete Ecken 148, welche die Torsionsstäbe 104 mit dem Rahmen 102 und dem Mittelflügel 108 verbinden.
Um den elektrischen Strom einzugrenzen, der durch den Torsionssensor 142 zu der ebenen Fläche 112 des Torsionsstabs 104 fließt, wird ein Sensorgebiet 152 des Torsionsstabs 104 mit einem Dotierungsmaterial implantiert oder diffundiert. Wenn zum Beispiel ein Torsionsstab 104 entweder unter Verwendung von P-leitendem oder N- leitendem Substratmaterial orientiert entlang der kristallographischen [100]-Richtung hergestellt wird, dann wird ein P+ Dotierungsmaterial in das Sensorgebiet 152 der ebenen Fläche 112 implantiert oder diffundiert. Während eine Implantierung eines P+ Dotierungsmaterials in ein N-leitendes Substrat eine Sperrschichtisolation erzeugt, wird in beiden Fällen der elektrische Strom auf die ebene Fläche 112 begrenzt. Ebenso wird, wenn ein N-leitendes oder P-leitendes Substratmaterial orientiert entlang der kristallographischen [110]-Richtung für den Torsionsstab 104 verwendet wird ein N+ Dotierungsmaterial implantiert oder diffundiert, um ein N-leitendes Sensorgebiet 152 für den Torsionssensor 142 zu erzeugen, entweder mit oder ohne Sperrschichtisolation. Wenn die Torsionsstäbe 104 dick sind bezüglich eines Abstandes zwischen gegenüberliegenden Paaren von Torsionssensorelektroden 154 kann die Implantation oder Diffusion im Prinzip übergangenen werden.
Die Sensoranschlüsse 144 aus Metall bilden alle ohmsche Kontakte zu dem implantierten oder diffundierten Sensorgebiet 152 sind aber im Übrigen elektrisch isoliert von der ebenen Fläche 112 des Torsionsstabs 104. Während eines Betriebs des topografischen Kopfs 100 wird ein elektrischer Strom auf die Torsionssensor-Anschlüsse 144a und 144b angelegt. Eine Torsionsspannung in dem Torsionsstab 104, dargestellt in den Fig. 6a und 6b durch einen Doppelpfeil 156, die aus einer Drehung des Mittelflügels 108 bezüglich des Rahmens 102 resultiert erzeugt eine Spannung zwischen den Torsionssensor-Anschlüssen 144c und 144d. Die Spannung, die zwischen den Torsionssensor-Anschlüssen 144c und 144d erzeugt wird, ist proportional zu dem Strom, der durch die Torsionssensor-Anschlüsse 144a und 144b angelegt wird und zu der Torsions (Scher)-Spannung 156 in dem Torsionsstab 104. Ein Vorteil des Torsionssensors 142 ist der, dass er unempfindlich gegen lineare Spannungen in dem Torsionsstab 104 ist, wie die, die durch das Gewicht des Mittelflügels 108 verursacht werden. Die Torsionsstäbe 104 müssen jedoch von sehr großer metrologischer Qualität sein und sie müssen spannungsfrei sein. Dementsprechend wird der topografischen Kopf 100 vorzugsweise unter Verwendung von SOI als Substratmaterial hergestellt, wie in der Patentanwendung und dem offengelegten Patent, die oben zitiert sind beschrieben ist. Alternativ kann der topografischen Kopf 100 aus konventionellen Siliziumwafern hergestellt werden, unter Verwendung eines zeitgesteuerten Ätzens zur Kontrolle der Dicke der Torsionsstäbe 104.
Fig. 6c ist eine alternative Ausführung des Torsionssensors 142, die eine der gebräuchlichen Torsionssensorelektroden 154 symmetrisch in zwei Teile 154a und 154b teilt. Ein Verdrehen des Torsionsstabes 104 induziert eine differenzielle Veränderung in dem elektrischen Strom, der durch die beiden Hälften der Torsionssensorelektroden 154b und 154c fließt. In dem Torsionssensor 142, der in Fig. 6c gezeigt ist werden keine gesonderten spannungserfassenden Torsionssensorelektroden 154 benötigt. Alle Orientierungen des Torsionssensors 142 bezüglich den kristallographischen Richtungen sind im Übrigen identisch mit dem Torsionssensor 142 mit vier Endstellen.

xyz-Abtast-Tisch

Die Draufsicht aus Fig. 7 zeigt eine bevorzugte Ausführung eines mikrobearbeiteten xyz-Abtast-Tisches in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, der durch das allgemeine Referenzzahlzeichen 200 gekennzeichnet ist und der eingerichtet ist zur Verwendung in einem AFM. Der xyz-Abtast-Tisch 200 enthält einen äußeren Tischuntersatz 202, der eine äußere Begrenzung des xyz-Abtast-Tisches 200 bildet und der eingerichtet ist, um innerhalb des Systems 20' bezüglich der Oberfläche 122, die abgetastet werden soll stationär gehalten zu werden. Der Tischuntersatz 202 ist verbunden mit einem Zwischen-x-Achsen-Tisch 204 und trägt diesen über eine Vielzahl von Biegeelementen 206. Die Biegeelemente 206 sind in Paaren angeordnet, wobei ein Paar auf dem Tischuntersatz 202 und das andere auf dem x-Achsen-Tisch 204 sitzt und wobei das Paar von Biegeelementen 206 durch einen Zwischen-Stab 208 verbunden ist. Eine Verwendung dieser Struktur für die Biegeelemente 206 implementiert das Prinzip der doppelten linearen Blattfeder, die in einem technischen Artikel durch T. Smith et al. mit dem Titel "Design and Assessment of Monolithic High Precision Translation Mechanism" beschrieben ist, der in 1987 in dem Journal of Physics E: Scientific Instruments Bd.20 auf S.977 veröffentlicht wurde.
Eine wichtige Eigenschaft dieser Anordnung zum Tragen des x-Achsen-Tisches 204 bezüglich des Tischuntersatzes 202 besteht darin, dass keine Dehnung der Biegeelemente 206 auftritt. Bei der bevorzugten Ausführung des xyz-Abtast-Tisches 200, wie er in Fig. 7 gezeigt ist verbinden acht Paare von Biegeelementen 206, von denen jedes durch den Zwischen-Stab 208 gekoppelt ist den Tischuntersatz 202 mit dem x-Achse-Tisch 204, um eine Bewegung des x-Achsen-Tisches 204 seitlich von einer Seite zur anderen bezüglich des Tischuntersatzes 202 zuzulassen. Der x-Achsen-Tisch 204 umgibt, ist verbunden mit und trägt einen inneren y-Achsen-Tisch 212 durch eine Anordnung von Biegeelementen 214 und Zwischen-Stäben 216 ähnlich der Anordnung, durch welche der Tischuntersatz 202 den x-Achsen-Tisch 204 trägt. Die Biegeelemente 214 und die Zwischen-Stäbe 216 lassen zu, dass sich der y-Achsen-Tisch 212 seitlich von einer Seite zur anderen bezüglich des x-Achsen-Tisches 204 bewegt. Damit erlaubt eine zusammengesetzte seitliche Translation des Tischuntersatzes 202 bezüglich des x-Achsen- Tisches 204 und des y-Achsen-Tisches 212 bezüglich des x-Achsen-Tisches 204 eine unabhängige Bewegung des y-Achsen-Tisches 212 entlang zueinander rechtwinkliger x- und y-Achsen. Der gesamte xyz-Abtast-Tisch 200 einschließlich des Tischuntersatzes 208, dem x-Achsen-Tisch 204, den Biegeelementen 206, den Zwischen-Stäben 202, dem y-Achsen-Tisch 212, den Biegeelementen 214 und den Zwischen-Stäben 216 sind monolithisch aus einer Halbleiter-Einkristall-Silizium-Schicht eines Substrats hergestellt.
Wenigstens eines der Biegeelemente 206 und wenigstens eines der Biegeelemente 214 schließt einen Spannungssensor 222 zur Erfassung von Spannung jeweils in den Biegeelementen 206 oder 214 ein. Fig. 8a und 8b sind Draufsichten, welche sowohl das Biegeelement 206 als auch das Biegeelement 214 zeigen, aufgenommen entlang der Linie 16 -16 in Fig. 7. Der Spannungssensor 222, der in den Fig. 8a und 8b gezeigt ist, kann verwendet werden, um eine Ablenkung der Biegeelemente 206 und 214 und damit die Tisch-Ablenkung jeweils entlang der x- oder y-Achse zu messen. Auch wenn longitudinale Spannungen in den Biegeelementen 206 und/oder 214 auftreten, ist der Spannungssensor 222, der in Fig. 8a gezeigt ist unempfindlich gegenüber solchen Spannungen und zeigt eine Ablenkung entweder entlang der x-Achse oder entlang der y-Achse korrekt an. Da Scherkräfte am größten in der Nähe des Zentrums der Biegeelemente 206 und 214 sind, sollte der Spannungssensor 222, der in der Darstellung von Fig. 8a einen Aufbau besitzt ähnlich dem des Torsionssensors 142, der in Fig. 6a gezeigt ist, auf dem Biegeelement 206 oder 214 platziert sein, wie in Fig. 8a gezeigt.
Bei dem Spannungssensor 222, der in Fig. 6a gezeigt ist, liefert ein Paar von Schersensor-Stromanschlüssen 224 einen elektrischen Strom an den Spannungssensor 222 und ein Paar von Schersensor-Erfassungsanschlüssen 226 erfasst eine Spannung, die durch Scherspannung in dem Biegeelement 206 oder 214 induziert wird. Die Spannung, die an den Schersensor-Erfassungsanschlüssen 226 anliegt ist proportional zu der Auslenkung der Biegeelemente 206 oder 214. Die Mittelachse 228 des Biegeelements 206 oder 214 sollte in der kristallographischen [100]-Richtung bei P-leitendem Silizium und in der kristallographischen [110]-Richtung bei N-leitendem Silizium orientiert sein. Der Spannungssensor 222 kann jedoch entweder mit der Orientierung, die in Fig. 8a gezeigt ist oder in einer Orientierung, die gegenüber der, in Fig. 8a gezeigten um 90º gedreht ist hergestellt werden. Der Spannungssensor 222 benötigt keine spezielle Stromisolierung wie die, welche für den Torsionssensor 142 benötigt wird, da die Scherspannung die gleiche über die gesamte Dicke des Biegeelements 206 oder 214 ist. Da die Scherspannung am größten im Zentrum des Biegeelements 206 oder 214 ist, fließt ein Strom durch den Spannungssensor 222 bevorzugt entlang der Mittelachse 228.
Ein alternativer Biegespannungssensor 222, der in Fig. 8b zeigt ist verwendet ein Paar Piezowiderstände 232, die symmetrisch auf gegenüberliegenden Seiten der Mittelachse 228 angebracht sind. Bei einer solchen Piezowiderstand-Implementierung drückt ein Abbiegen des Biegeelementes 206 oder 214 einen Piezowiderstand 232 zusammen, während es den anderen Piezowiderstand 232 dehnt. Die Piezowiderstände 232 sprechen jedoch sowohl auf Biegespannungen in den Biegeelementen 206 oder 214 als auch auf Zug- oder Druckspannung entlang der Mittelachse 228 an, auf welche der Spannungssensor 222, der in Fig. 8a gezeigt ist, unempfindlich ist. Eine Verwendung der Piezowiderstände 232 auf eine differenzielle Weise reduziert die Empfindlichkeit der Piezowiderstände 232 gegenüber Zug- oder Druckspannung entlang der Mittelachse 228, während er bevorzugt auf eine Biegespannung in den Biegeelementen 206 und 214 anspricht. Der Spannungssensor 222, der in Fig. 8b gezeigt ist kann auch zusätzliche Piezowiderstände 234 einschließen, die vorzugsweise entfernt sind von dem Gebiet der Biegespannungen und/oder angeordnet sind, um unempfindlich gegen Biegespannung zu sein, z. B. senkrecht zu und symmetrisch um die Mittelachse 228. Die Piezowiderstände 234 können elektrisch in eine Widerstandsbrücke zusammen mit den Piezowiderständen 232 eingebaut sein, um eine Temperaturkompensation für den Spannungssensor 222 zu liefern.
Der y-Achsen-Tisch 212 kann verschiedene Arten von Abtastsensoren wie ein optisches Nahfeldmikroskop, ein Tunnelmikroskop, ein Feldemissionsmikroskop oder einen topografischen Kopf 100 wie der, welcher oben beschrieben wurde tragen und entlang der x- und y-Achsen versetzen. Die Ausführung des xyz-Abtast-Tisches 200, der in Fig. 7 gezeigt ist erläutert, detaillierter in den Fig. 9a und 9b, den xyz-Abtast-Tisch 200, der einen topografischen Kopf 100 trägt. Wie in diesen Figuren gezeigt, schließt der y- Achsen-Tisch 212 einen z-Achsen-Tisch 238 ein, der ein Paar von Torsionsstäben 242 besitzt, die nach innen von gegenüberliegenden Seiten des y-Achsen-Tisches 212 vorstehen. Die Torsionsstäbe 242 sind entlang einer gemeinsamen Achse 244 ausgerichtet, um einen z-Achsen-Flügel 246 innerhalb des y-Achsen-Tisches 212 zu tragen. Die Torsionsstäbe 242 und der z-Achsen-Flügel 246 sind monolithisch aus einer Halbleiter- Einkristall-Silizium-Schicht eines Substrats zusammen mit dem Tischuntersatz 202, dem x-Achsen-Tisch 204, dem y-Achsen-Tisch 212, den Biegeelementen 206 und 214 und den Zwischenstäben 208 und 216 hergestellt. Ähnlich wie bei dem Mittelflügel 108, der oben beschrieben ist bildet der z-Achsen-Flügel 246, der in dem y-Achsen-Tisch 212 zur Drehung um die gemeinsame Achse 244 der Torsionsstäbe 242 getragen wird eine Ruheebene, wenn keine äußere Kraft auf den z-Achsen-Flügel 246 ausgeübt wird. Der z-Achsen-Flügel 246 ist um die gemeinsame Achse 244 der Torsionsstäbe 242 drehbar zu einer Drehposition, die von der Ruheebene durch eine Kraft, die auf den z-Achsen- Flügel 246 ausgeübt wird versetzt ist. Der z-Achsen-Flügel 246 kann einen topografischen Kopf 100, wie der, welcher oben und im Folgenden beschrieben ist und für AFM angepasst ist führen, der von den Torsionsstäben 242 entfernt nach außen von dem z- Achsen-Flügel 246 vorsteht. Einer der Torsionsstäbe 242 des z-Achsen-Tisches 238 enthält einen Torsionssensor 249, der identisch zu dem oben beschriebenen Torsionssensor 142 hergestellt ist und der eine Struktur und eine Dreherfassungsfunktion identisch zu dem Torsionssensor 142 besitzt. Das elektrische Signal, das durch den Torsionssensor 249 erzeugt wird, misst eine z-Achsenbewegung des z-Achsen-Flügels 246 bezüglich des y-Achsen-Tisches 212.
Bei der Herstellung des xyz-Abtast-Tisches 200 können Wafer von beiden Seiten mit gespiegelten Masken (vorsichtig ausgerichtet) geätzt werden, um die Tiefe der Biegeelemente 206 und 214 und ihr Höhe zu Breite-Seitenverhältnis zu erhöhen. Verbundene Wafer können als Substrate zur Herstellung des xyz-Abtast-Tisches 200 verwendet werden. Fig. 9b zeigt den xyz-Abtast-Tisch 200, der auf diese Weise hergestellt ist, bei dem der Siliziumwafer aus zwei verbundenen Wafern 252a und 252b besteht. Die verbundenen Wafer 252a und 252b sind durch eine Oxidschicht 254 zwischen ihnen verbunden, die als ein Ätzstopp wirkt. Die Verwendung von verbundenen Wafern 252a und 252b erlaubt eine Verdopplung des Seitenverhältnisses der Biegeelemente 206 und 214 durch ein Ätzen von beiden Seiten entweder mit Nassätzen oder reaktivem Ionenät- durch ein Ätzen von beiden Seiten entweder mit Nassätzen oder reaktivem Ionenätzen. Wenn der Wandwinkel der Biegeelemente 206 und 214 sich von 90º unterscheidet, dann liefert dieses Verfahren eine symmetrische Gestalt für die Biegeelemente 206 und 214, was eine verdrehungsfreie seitliche Verschiebung des y-Achsen-Tisches 212 bezüglich des Tischuntersatzes 202 sicherstellt.
Noch größere Seitenverhältnisse können für die Biegeelemente 206 und 214 durch identisches Ätzen von mehreren Halbfeiterwafern 262, wie es in Fig. 10 dargestellt ist erreicht werden, die lithografisch hergestellte Ausrichtlöcher einschließen. Nachdem die Halbleiterwafer 262 hergestellt worden sind, können sie einer auf den anderen aufeinandergestapelt werden, wie in Fig. 10 gezeigt vorzugsweise in Paaren von je zwei Wafern, die mit den Rückseiten zueinander schauen. Die xyz-Abtast-Tische 200 in jedem der Halbleiterwafer 262 können miteinander verbunden oder verklebt sein. Wenn Seitenwände der Biegeelemente 206 und 214 abfallen, wie es allgemein auftritt, wenn die Halbleiterwafer 262 durch anisotropes Nassätzen hergestellt werden, dann wechselt vorzugsweise die Ätzrichtung für jedes Paar von Halbleiterwafern 262, so dass der gesamte Stapel symmetrisch ist. Nur einer der Halbleiterwafer 262, das heißt ein außenliegender Wafer 262 benötigt das Einfügen der Torsionsstäbe 242, des z-Achsen- Flügels 246 und des Spannungssensors 222.
Im Prinzip könnte der x-Achsen-Tisch 204 und der y-Achsen-Tisch 212 seitlich bezüglich des Tischuntersatzes 202 durch ein Paar zueinander rechtwinkliger schrittmotorgesteuerter Mikrometerschraubenantriebe, wie die, welche in dem Teague et al. Artikel beschrieben sind oder durch einen anderen Typ eines Schubstangen-Mechanismus verschoben werden. Eine Verschiebung des x-Achsen-Tisches 204 und des y-Achsen- Tisches 212 wird jedoch vorzugsweise durch eine Verwendung von dünnen piezoelektrischen Wandlern 272, die in Fig. 7 gezeigt sind bewirkt. Ein Paar von solchen piezoelektrischen Wandlern 272 ist zwischen den Tischuntersatz 202 und den x-Achsen- Tisch 204 auf gegenüberliegenden Seiten des x-Achsen-Tisches 204 angeordnet. Ähnlich ist ein zweites Paar von solchen piezoelektrischen Wandlern 272 zwischen den x- Achsen-Tisch 204 und den y-Achsen-Tisch 212 auf gegenüberliegenden Seiten des y- Achsen-Tisches 212 angeordnet. Die piezoelektrischen Wandler 272 können in Taschen sitzen, die in dem Tischuntersatz 202 und in den Tischen 204 und 212 erzeugt sind und können, wenn gewünscht hintereinander von jeder Seite bedient werden. Die piezoelektrischen Wandler 272 besitzen eine sehr geringe Masse und ein sehr geringes Trägheitsmoment, um die Tische 204 und 212 hinreichend für eine AFM-Operation zu versetzen. Auf diese Weise angeordnet muss der x-Achsen-Tisch 204 die piezoelektrischen Wandler 272 für den Versatz des y-Achsen-Tisches 212 führen. Diese piezoelektrischen Wandler 272 sind jedoch leicht und damit vermindert ihre Maße die Leistung des xyz-Abtast-Tisches 200 nicht signifikant.
Die piezoelektrischen Wandler 272 können entweder durch dünne piezoelektrische unimorphe oder bimorphe Scheiben oder streifenförmige Platten 274 geliefert werden, die in dem Kuppel (doming)-Modus, vorzugsweise hintereinander verwendet arbeiten. Die piezoelektrischen Wandler 272 (entweder einzeln oder doppelt) bestehen vorzugsweise, wie in Fig. 11 gezeigt aus zwei Piezo-Platten 274, die mit den Vorderflächen zueinander positioniert sind. Die Platten 274 können aus einer dünnen runden Scheibe aus vorgespanntem Blei-Lanthan-Zirkonium-Titanat ("PLZT ")-Material hergestellt sein. Dieses Material wird von Aura Ceramics hergestellt und unter der "Rainbow "- Produktbezeichnung verkauft. Dieser PLZT-Unimorph liefert eine monolithische Struktur, dessen eine Seite aus einer Schicht von konventionellem PLZT-Material besteht. Die andere Seite des PLZT-Unimorphs ist eine in der Zusammensetzung reduzierte Schicht, die durch chemische Reduzierung der Oxide in dem Grund-PLZT-Material gebildetwird, um eine leitfähige Cermetschicht zu erzeugen. Die leitfähige Cermetschicht umfasst typischerweise etwa 30% der gesamten Scheibendicke. Eine Entfernung der Oxide von einer Seite des Unimorphs schrumpft die leitfähige Cermetschicht, was die gesamte Scheibe biegt und die PLZT-Schicht unter Druck setzt. Die PLZT-Schicht ist deshalb konvex, während die leitfähige Cermetschicht konkav ist.
Ohne Betrachtung des speziellen Materialsystems, das für die Platten 274 verwendet wird, verursacht ein Anlegen einer Spannung über die Platten 274, dass Ihre Biegung entweder zunimmt oder abnimmt. Wenn der piezoelektrische Wandler 272 an einer Seite eines Tisches 204 oder 212 die Biegung der Platte 274 vergrößert, während die Platten 274 in dem piezoelektrischen Wandler 272 auf der anderen Seite ihre Biegung reduzieren, wird sich der Tisch seitlich bezüglich des umgebenden Tischuntersatzes 202 oder des x-Achsen-Tisches 204 bewegen.
Die Platten 274 können vorzugsweise zu einer Greifer-Anordnung zusammengesetzt sein, wie in Fig. 11 dargestellt. Die Platten 274 sind durch Metallklammern 276 umgeben, die eine innere Fläche besitzen können, die durch eine Übereinstimmung mit der Biegung der Platten 274 geformt ist, um Spannung abzubauen. Die beiden Metallklammern 276 können sich frei zueinander drehen und werden durch eine kleine Feder oder ein Scharnier 278 zusammengehalten. Die Metallklammern 276, die nach oben über die obere Fläche des xyz-Abtast-Tisches 200 hinausragen enthalten Backen 282, die angrenzende Kanten des Tischuntersatzes 202 und des x-Achsen-Tisches 204 oder dessen x-Achsen-Tisches 204 und des y-Achsen-Tisches 212 kontaktieren. Vorzugsweise können die Backen 282 mit Kunststoff überzogen sein. Die Metallklammern 276 können Lippen 284 zur Verklebung der piezoelektrischen Wandler 272 am richtigen Ort mit den Tischen 204 und 212 einschließen. Die Platten 274 werden auf eine Dicke geläppt, die mit dem Zwischenraum zwischen angrenzenden Kanten des Tischuntersatzes 202 und des x-Achsen-Tisches 204 oder des x-Achsen-Tisches 204 und des y-Achsen-Tisches 212 übereinstimmt; der Greifer wird dann zusammengedrückt und zwischen den Tischuntersatz 202 und den x-Achsen-Tisch 204 oder zwischen den x-Achsen-Tisch 204 und den y-Achsen-Tisch 212 eingeführt. Die Vorspannung auf die piezoelektrischen Wandler 272 muss sorgfältig kontrolliert werden. Die maximale Kontraktion der Platten 274 als Antwort auf eine angelegte Spannung muss kleiner sein als die Kompression der Vorspannung, oder die Platten 274 lösen sich ab mit einem folgenden Verlust der Kontrolle über eine seitliche Bewegung des y-Achsen-Tisches 212.
Wie in Fig. 7 gezeigt, verwendet die bevorzugte Ausführung des xyz-Abtast-Tisches 200 vorzugsweise ein Paar von piezoelektrischen Wandlern 272 zur Versetzung des y- Achsen-Tisches 212 entlang der x- und y-Achsen. Eine solche duale Anordnung der Platten 274 auf gegenüberliegenden Seiten der Tische 204 und 212 liefert vorteilhafterweise eine Wandlervorspannung ohne eine sichtliche Ablenkung des Tisches. Ein xyz- Abtast-Tisch 200 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung muss jedoch nur einen einzigen piezoelektrischen Wandler 272 verwenden, um eine Bewegung entlang der x-Achse oder entlang der y-Achse zu bewirken. Bei einem solchen xyz-Abtast-Tisch 200, der nur einen einzigen piezoelektrischen Wandler 272 pro Achse besitzt, muss jeder Tisch 204 und 212 gegen den piezoelektrischen Wandler 272 vorgeladen sein, entweder durch eine Kraft, die innerhalb der Biegeelemente 206 und 214 erzeugt wird oder durch eine Feder, die zwischen den Tischuntersatz 202 und den x-Achsen-Tisch 204 und zwischen den x-Achsen-Tisch 204 und den y-Achsen-Tisch 212 angeordnet ist. Diese piezoelektrischen Wandler 272 können von der Rückseite des xyz-Abtast-Tisches 200 eingefügt werden, so dass die Vorderseite frei ist und wenn notwendig sich sehr nahe an dem abzutastenden Objekt befinden kann.
Um eine Kraft anzuwenden den topografischen Kopf 100, der durch den z-Achsen- Flügel 246 geführt wird zu einer abzutastenden Fläche, wie in den Fig. 9a und 9b gezeigt hinzutreiben enthält der xyz-Abtast-Tisch 200 einem scheibenförmigen, vorgespannten PLZT-Piezowandler 292, der unimorph, bimorph oder vom Rainbow-Typ ist und der den z-Achsen-Flügel 246 kontaktiert. Bei Anwendung einer Spannung auf den Piezowandler 292 lenkt diese den z-Achsen-Flügel 246 am Cantilever ab und liefert damit eine hochfrequente vertikale Bewegung entlang der z-Achse. Der xyz-Abtast-Tisch 200, der den topografischen Kopf 100 führt, kann auf eine von zwei verschiedenen Weisen verwendet werden, um die Topografie der Fläche 122 zu messen. Bei einer Betriebsart, die als konstante Kraft-Messung bezeichnet werden kann, hält das elektrische Signal, das auf den Piezowandler 292 angewandt wird das Signal von dem Torsionssensor 142, der in dem topografischen Kopf 100 enthalten ist bei einem konstanten Wert und veranlasst dadurch, dass die Spitze 118 des topografischen Kopfes 100 eine konstante Kraft auf die Fläche 122 ausübt. Bei dieser Betriebsart zeigt das Signal von dem Torsionssensor 249 die Topografie der Fläche 122 an. Bei einer alternativen Betriebsart hält das elektrische Signal, das auf den Piezowandler 292 angewandt wird den topografischen Kopf 100 an einer festen Position und das Signal von dem Torsionssensor 142 zeigt die Topografie der Fläche 122.

Industrielle Anwendbarkeit

xyz-Abtast-Tisch 200

Ein xyz-Abtast-Tisch 200 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung kann hergestellt werden mit einer äußeren Dimension von 35 · 27 mm für den Tischuntersatz 202, während der innere y-Achsen-Tisch 212 5 · 5 mm misst. Jedes Paar von Biegeelementen 214 und Zwischenstäben 216 ist 3 mm lang, 600 um breit, 800 um dick und der dünnste Teil des Biegeelements 214 ist 100 um breit. Die niedrigsten Resonanzfrequenzen in einem solchen System legen alle über 3000 Hz. Versetzungen des y- Achsen-Tisches 212 entlang der x- und y-Achsen können typischerweise 50 um betragen und der z-Achsen Versatz wenige um.

Claims

1. Mikrobearbeiteter X-Y-Abtasttisch, der umfasst:

einen äußeren Tischuntersatz (202), der in Bezug auf eine abzutastende Fläche stationär gehalten wird;

einen Zwischen-X-Achsen-Tisch (204), der mit dem Tischuntersatz verbunden ist und von ihm mit einer Vielzahl von Biegeelementen (flexures) (214) getragen wird,

einen inneren Y-Achsen-Tisch (212), der mit dem X-Achsen-Tisch (204) verbunden ist und von ihm mit einer Vielzahl von Biegeelementen (214) getragen wird,

und eine Erfassungseinrichtung, die von dem X-Achsen-Tisch und dem Y- Achsen-Tisch getragen und zur X-Achsen- und Y-Achsen-Verschiebung geführt wird;

dadurch gekennzeichnet, dass:

in wenigstens einem der Biegeelemente (206), die den Tischuntersatz und den X-Achsen-Tisch verbinden, ein Scherspannungssensor (222) ausgebildet ist, um Spannung in diesem Biegeelement zu erfassen;

in wenigstens einem der Biegeelemente (214), die den X-Achsen-Tisch und den Y-Achsen-Tisch verbinden, ein Scherspannungssensor (222) ausgebildet ist, um Spannung in diesem Biegeelement zu erfassen;

der Tischuntersatz, der X-Achsen-Tisch, der Y-Achsen-Tisch und die Biegeelemente sämtlich monolithisch aus einer Halbleiter-Einkristall-Siliziumschicht eines Substrats hergestellt sind.

2. X-Y-Abtasttisch nach Anspruch 1, wobei die Erfassungseinrichtung den X-Y- Abtasttisch zum Erfassen einer Topographie einer Oberfläche einrichtet und die Erfassungseinrichtung enthält:

einen Z-Achsen-Tisch (238) mit Torsionsstäben (242), die von einander gegenüberliegenden Seiten des Y-Achsen-Tischs nach innen vorstehen und entlang einer gemeinsamen Achse (244) ausgerichtet sind, um einen Z-Achsen-Flügel (246) in dem Y-Achsen-Tisch zu tragen, wobei die Torsionsstäbe und der Z- Achsen-Flügel monolithisch aus einer Halbleiter-Einkristall-Siliziumschicht eines Substrats zusammen mit dem Tischuntersatz, dem X-Achsen-Tisch, dem Y- Achsen-Tisch und den Biegeelemente hergestellt sind und der Z-Achsen-Flügel in dem Y-Achsen-Tisch um die gemeinsame Achse der Torsionsstäbe herum drehbar getragen wird und eine Ruheebene bildet, wenn keine äußere Kraft auf den Z-Achsen-Flügel ausgeübt wird, und durch eine Kraft, die auf den Z-Achsen- Flügel ausgeübt wird, um die gemeinsame Achse der Torsionsstäbe an eine Drehposition gedreht werden kann, die gegenüber der Ruheebene verschoben ist, wobei der Z-Achsen-Flügel zum Führen eines Abtastsensors eingerichtet ist;

eine Antriebseinrichtung (292), die den Z-Achsen-Flügel zwingt, sich um die gemeinsame Achse der Torsionsstäbe zu drehen;

und eine Drehpositions-Erfassungseinrichtung, die die Drehposition des Z- Achsen-Flügels um die gemeinsame Achse der Torsionsstäbe misst.

3. X-Y-Abtasttisch nach Anspruch 2, wobei der Abtastsensor, der von dem Z- Achsen-Tisch geführt wird, ein mikrobearbeiteter topographischer Kopf (100) ist, der zum Einsatz beim Erfassen der Topographie einer Oberfläche eingerichtet ist, wobei der topographische Kopf enthält:

einen Rahmen (102), von dem nach innen einander gegenüberliegende Torsionsstäbe (104) vorstehen, die entlang einer gemeinsamen Achse (106) ausgerichtet sind und die einen Mittelflügel (108) in dem Rahmen tragen, wobei der Rahmen, die Torsionsstäbe und der Mittelflügel sämtlich monolithisch aus einer Halbleiter-Einkristall-Siliziumschicht eines Substrats hergestellt sind, der Mittelflügel in dem Rahmen um die gemeinsame Achse der Torsionsstäbe herum drehbar getragen wird, eine Mitte aufweist, eine Ruhebene (114) bildet, wenn keine äußere Kraft auf den Mittelflügel ausgeübt wird, und durch eine Kraft, die auf den Mittelflügel ausgeübt wird, um die gemeinsame Achse der Torsionsstäbe an eine Drehposition gedreht werden kann, die gegenüber der Ruheebene verschoben ist, wobei der Mittelflügel eine Spitze (118) enthält, die von dem Mittelflügel von den Torsionsstäben entfernt nach außen vorsteht, wobei die Spitze zum Anliegen an einer Fläche (122) eingerichtet ist, um die Topographie derselben zu erfassen;

eine Antriebseinrichtung (124, 128), die den Mittelflügel zwingt, sich um die gemeinsame Achse der Torsionsstäbe zu drehen; und

eine Drehpositions-Erfassungseinrichtung (142), die die Drehposition des Mittelflügels um die gemeinsame Achse der Torsionsstäbe misst.

4. X-Y-Abtasttisch nach Anspruch 2, wobei die Antriebseinrichtung ein laminierter Metall-Unimorph ist, der mit dem Z-Achsen-Flügel verbunden ist.

5. X-Y-Abtasttisch nach Anspruch 2, wobei die Antriebseinrichtung ein Bimorph ist, der mit dem Z-Achsen-Flügel verbunden ist.

6. X-Y-Abtasttisch nach Anspruch 2, wobei die Antriebseinrichtung aus lastgespanntem PLZT-Material eines Keramikmaterials vom Typ "Rainbow" besteht;

das so bearbeitet worden ist, dass eine Seitenfläche desselben hinsichtlich ihrer Zusammensetzung reduziert worden ist, um ein Material mit einer Cermet- Zusammensetzung zu erzeugen, so dass die Antriebseinrichtung einen monolithischen Unimorph bildet und der Unimorph mit dem Z-Achsen-Flügel verbunden ist.

7. X-Y-Abtasttisch nach Anspruch 1, wobei der Scherspannungssensor einen Piezo-Sensor enthält.

8. X-Y-Abtasttisch nach Anspruch 1, wobei der Scherspannungssensor einen Piezo-Widerstand enthält.

9. X-Y-Abtasttisch nach Anspruch 1, der des Weiteren eine X-Achsen-Antriebseinrichtung umfasst.

10. X-Y-Abtasttisch nach Anspruch 9, wobei die X-Achsen-Antriebseinrichtung zwischen dem äußeren Tischuntersatz und dem Zwischen-X-Achsen-Tisch angeordnet ist.

11. X-Y-Abtasttisch nach Anspruch 9, wobei die X-Achsen-Antriebseinrichtung ein Piezo-Wandler (272) ist, der zwischen dem äußeren Tischuntersatz und dem Zwischen-X-Achsen-Tisch angeordnet ist.

12. X-Y-Abtasttisch nach Anspruch 11, wobei der Piezo-Wandler ein laminierter Metall-Unimorph ist.

13. X-Y-Abtasttisch nach Anspruch 11, wobei der Piezo-Wandler ein Bimorph ist.

14. X-Y-Abtasttisch nach Anspruch 11, wobei der Piezo-Wandler aus lastgespanntem PLZT-Material eines Keramikmaterials vom Typ "Rainbow" besteht, das so bearbeitet worden ist, dass eine Seitenfläche desselben hinsichtlich ihrer Zusammensetzung reduziert worden ist, um ein Material mit einer Cermet-Zusammensetzung zu erzeugen, so dass der Piezo-Wandler einen monolithischen Unimorph bildet.

15. X-Y-Abtasttisch nach Anspruch 1, der des Weiteren eine Y-Achsen-Antriebseinrichtung umfasst.

16. X-Y-Abtasttisch nach Anspruch 15, wobei die Y-Achsen-Antriebseinrichtung zwischen dem X-Achsen-Tisch und dem inneren Y-Achsen-Tisch angeordnet ist.

17. X-Y-Abtasttisch nach Anspruch 15, wobei die Y-Achsen-Antriebseinrichtung ein Piezo-Wandler (272) ist, der zwischen dem Zwischen-X-Achsen-Tisch und dem inneren Y-Achsen-Tisch angeordnet ist.

18. X-Y-Abtasttisch nach Anspruch 17, wobei der Piezo-Wandler ein laminierter Metall-Unimorph ist.

19. X-Y-Abtasttisch nach Anspruch 17, wobei der Piezo-Wandler ein Bimorph ist.

20. X-Y-Abtasttisch nach Anspruch 17, wobei der Piezo-Wandler aus lastgespanntem PLZT-Material eines Keramikmaterials vom Typ "Rainbow" besteht, das so bearbeitet worden ist, dass eine Seitenfläche desselben hinsichtlich ihrer Zusammensetzung reduziert worden ist, um ein Material mit einer Cermet-Zusammensetzung herzustellen, so dass der Piezowandler einen monolithischen Unimorph bildet.