DE69736457T2

DE69736457T2 - Interatomare Messtechnik

Info

Publication number: DE69736457T2
Application number: DE69736457T
Authority: DE
Inventors: Tetsuo Ohara
Original assignee: Ohara Tetsuo Boston
Current assignee: Ohara Tetsuo Boston
Priority date: 1996-05-20
Filing date: 1997-05-20
Publication date: 2007-04-05
Anticipated expiration: 2017-05-21
Also published as: AU2785397A; EP0839311A1; KR19990029072A; US5744799A; KR100540027B1; DE69736457D1; EP0839311B1; WO1997044631A1; TW348260B

Description

Die Erfindung betrifft Nanometer und andere interatomare Messungen, z.B. mit Raster-Tunnel-Mikroskopen(STM), Abstoßungskraft-Mikroskopen(AFM) und anderen geeigneten Abtast-Sensoren, die insbesondere Verbesserungen im subatomaren Dimensionsbereich durch Abtastvorrichtungen oder von Messungen der Abtast- oder Sensor-Position über eine wellige atomare oder andere Wellenfläche, z.B. welliges holographisches Gitter, in herkömmlicher Weise diamantgeschliffenen oder anders geformten Gittern und Oberflächen von welligen Feldern – magnetischer und elektrischer Art – betreffen, einschließlich der Rückführung solcher Echtzeit-Nanometer-Positionsmessungen für die Oberflächensteuerung der Art, wie sie in meiner früheren US-Patentanmeldung Nr. 08/588651, angemeldet am 19. Januar 1996 als Continuation der US-Patentanmeldung Nr. 08/216057, angemeldet am 22. März 1994, ferner in meinem Aufsatz „Real-time subnanometer position sensing with long measurement range", veröffentlicht in IEEE International Conference on Robotics and Automation Proceedings, veröffentlicht am 22. Mai 1995, offenbart sind.
Hintergrund der Erfindung
Wie in der oben erwähnten US-Patentanmeldung und dem ebenfalls erwähnten Aufsatz ausgeführt, wird die Laser-Interferometrie derzeit für Feinmessungen von wenigen Hundertstel einer Lichtwellenlängenauflösung bei der Herstellung oder Verarbeitung von hochpräzisen Oberflächen oder Werkzeugen, wie z.B. Spiegeln, Linsen und dergl., integrierten Stromkreis-Wafern, z.B. Speicherchips und dergl. Vorrichtungen angewendet. Bei der Herstellung von Wafern und dergl. ist es beispielsweise erwünscht, zur Bearbeitung längs paralleler Linien mit einer Breite von einigen wenigen Teil-Mikrons zu verfahren, und es ist wichtig, stets die Position zu kennen und sicher zu stellen, dass die Verarbeitung exakt längs dieser Linien innerhalb weniger Prozente verläuft. Heutzutage wird die Verfolgung der Position bei solchen Abtastvorgängen wie bei der Herstellung von Wafern und dergl. mit Hilfe der Laser-Interferometrie durchgeführt. Laser-Interferometer jedoch sind für Ein-Achsen-Messungen ausgelegt und machen teuere und stabile Laserquellen und Optiken erforderlich. Um auf die Größenordnung der Auflösung im Nanometerbereich zu kommen, muss eine solche Methode in mehrere hundert Einheiten unterteilt werden. Dies führt bei dem System zu Ungenauigkeiten, da die Wellenlänge des Lasers sich aufgrund von Temperaturänderungen, Änderungen in den Luftströmungsbedingungen usw. verändern können. Oft jedoch ist es erforderlich, derartige hochpräzise Messungen in Vakuum durchzuführen, was teuer und mühsam ist.
Andere Anwendungen, bei denen eine sehr hohe Präzision gefordert wird, treten z.B. bei der Herstellung von Master-Disketen für die CD-Disketten-Reproduktion und dergl. auf. Bei der Bearbeitung von Diamanten und bei der Endbearbeitung von Satelliten-Teleskopen und dergl. sind ähnliche hohe Anforderungen an die Genauigkeit erforderlich.
Insbesondere seit der Entwicklung von Raster-Tunnel-Mikroskopen, wie sie beispielsweise von G. Binnig und H. Rohrer in Helev. Phys. Acta 55, 726 (1982) beschrieben wurden, und Abstoßungskraft-Mikroskopen, wie z.B. in US 4,724,318 beschrieben, ist das Abbilden von atomaren Oberflächen und dergl. auf relativ einfache Weise möglich geworden, was den Zugang zur Nanometer-Positions-Auflösung ermöglicht.
In Veröffentlichungen von Higuchi und anderen, z.B. in „Crystalline Lattice for Metrology and Positioning Control", Proceedings IEEE Micro Electro Mechanical Systems, Seiten 239–244, sind deshalb solche Geräte mit einer atomaren Oberfläche verwendet worden, die auf einem sich bewegenden Tisch angeordnet ist, wobei der Raster-Tunnel-Mikroskop-Sensor die Anzahl von Atomen auf der vorbeilaufenden Oberfläche in der X- und/oder Y-Richtung zählt, damit unterschiedliche vorbestimmte Positionen oder Stellen auf der Oberfläche erreicht werden. Um eine Positionssperre für jede neue, erreichte Position zu erzielen, wird der Tisch stets in sinusförmiger Vibration in Drehung versetzt.
Dieser Vorgang jedoch ergibt keine Echtzeit-Kontinuität in den Sensor-Positions-Lage-Messungen über die Oberfläche, und erst die Erfindung hat dazu geführt, solche kontinuierlichen Lagemessungen bei Auflösungen in der Größenordnung von 0,01 Nanometer und kleiner zu ermöglichen, nämlich ein Zehntel bis ein Hundertstel der Auflösung von Messungen mit der Laser-Inerferometrie. Im Gegensatz zu Higushi et al vermeidet die Erfindung die Notwendigkeit des Verriegelns der Position des Vibrationstisches und zieht Positionsstellen durch Sensor-Oszillationen um einen Bezugspunkt vor. Die Vorteile gegenüber der Laser-Interferometrie sind neben der Erzielung einer stark verbesserten Auflösung auch darin zu sehen, dass damit ein optisches System mit seiner Komplexität und seinen Fehlern aufgrund von Temperaturänderungen und dergl. vermieden wird.
Das neuartige Herangehen an diese Grenzen der Erfindung, die in meinen früheren Patentanmeldungen und dem vorgenannten Aufsatz beschrieben sind, umfasst ein Verfahren der Echtzeit-Messung der Positionsstelle im Nanometerbereich einer Sonde durch Abtasten einer periodisch sich ändernden Oberfläche, z.B. atomaren Oberflächen, stromleitenden holographischen Gittern und anderen Gittern und dergl., wenn die Oberfläche und die Sonde relativ bewegt werden, was das Einrichten eines Abfühlfeldes zwischen der Sonde und der Oberfläche erforderlich macht, das Oszillieren der Sonde während der Abtastung um einen originären Bezugspunkt der Sonde durch Steuerung einer sinusförmigen Spannung, das Messen der sinusförmigen Ausgangsspannung, die durch das Abfühlfeld während der Oszillation und nach dem Durchlaufen der Oberfläche erzeugt wird, das Vergleichen der Phasenlage und/oder Amplitude der Steuer- und Abgabe-Spannungen, und das Entwickeln aus einem solchen Vergleich von Positionssignalen auf einer kontinuierlichen Basis, die die Richtung und den Abstand der Sonde entfernt vom Scheitel der nächsten Welle der Oberfläche und damit die Position der Sonde längs der Oberfläche anzeigt.
Während dies eine sehr entscheidende und nutzbare neue Technik darstellt, gibt es Anwendungsfälle, bei denen die Verbesserung der Technik erwünscht und/oder notwendig ist. Als erstes Beispiel werden Forderungen nach erhöhter Geschwindigkeit, besserem Frequenzansprechen und höherer Zuverlässigkeit gefordert, insbesondere für Anwendungen in der Halbleiterindustrie. Wenn vor allem die Sondenoszillationsfrequenz der natürlichen Frequenz des Systems nahe kommt, tritt die Phasenverzögerung zwischen der Eingangsoszillation des Signals und der eigentlichen Sondenoszillation auf. Diese Phasenverzögerung kann auf die Änderungen der Umweltbedingung Einfluss haben und damit die Präzision der Positionsabfühlung beeinflussen. Vorliegende Erfindung verbessert diesen Vorgang entscheidend.
Es wurde festgestellt, dass andere Probleme auftreten, wenn die Sonde mit hoher Frequenz oszilliert. Das Spalt-Steuergerät muss vermeiden, dass die Sonde in die Gitteroberfläche einbricht und dennoch den Abstand des Nanometerpegels so aufrecht erhält, dass das Signal nicht verloren geht. Es wäre nicht ausreichend, einen durch Tiefpass gefilterten (oder gemittelten) Spaltabstand als ein Rückkopplungssignal für die Spaltsteuerung zu verwenden, da dies ermöglichen könnte, dass die Sonde die Gitteroberfläche eine sehr kurze Zeitdauer lang berührt. Ein weiteres Problem besteht darin, wie sichergestellt werden kann, dass das Spalt-Steuerungs-Schema nicht mit dem Positions-Abfühlvorgang interferiert. Nichtlineare Eigenschaften des Tunnelstromes und der Atomkraft in Abhängigkeit von dem Spaltabstand stellen ebenfalls ein herausforderndes Problem dar, um ein Hochleistungs-Spalt-Steuerungssystem zu erzielen. Während eine einfache Kennlinien-Abbildung übliche Praxis ist, kann dieses Steuerungsschema sogar die Wahrscheinlichkeit eines zufälligen Sonden-Crashs mit der Gitteroberfläche vergrößern.
Der gesamte Bewegungsbereich der Sensor-Sonde muss größer sein als die gesamte Bewegung der Probenoberfläche, um die Einflüsse von kinematischen Fehlern und/oder mechanischen Fehlern im System zu kompensieren. Üblicherweise übersteigt ein solcher Bereich den Bereich der Spannung, den ein üblicher Digital-Analog-Wandler(D/A) Chip liefern kann. Allgemeine Praxis ist, den D/A-Ausgang zu verstärken, damit wird jedoch auch das Rauschen verstärkt und die Auflösung des Systems reduziert. Mit vorliegender Erfindung werden diese Schwierigkeiten ebenfalls verringert.
Traditionell wird auf dem Gebiet der Raster-Tunnel-Mikroskope(STM) als Sonde ein geätzter Metalldraht verwendet. Obgleich mikrobearbeitete Sonden allgemeine Praxis für Abstoßungskraft-Mikroskope für verbesserte Massenproduktion und exakte Reproduktion der mechanischen Charakteristik sind, sind diese Sonden nicht generell stromleitend und haben ihre tiefste natürliche Frequenz in Richtung der Sondenachse (Z-Achse). Wenn somit eine solche Sonde in X-Richtung in Oszillationen versetzt wird, wurde festgestellt, dass Vibrations-Rauschen in der Z-Richtung induziert wird, was das Messen der Position störend beeinflusst. Dieses weiteren Problems nimmt sich vorliegende Erfindung ebenfalls an.
Bestimmte industrielle Anwendungsfälle machen eine absolute Positionsabfühlung erforderlich, derart, dass selbst dann, wenn Energie ausfällt, der Vorgang nicht nochmals von vorne begonnen werden muß. Die Definition des Ursprungs kann aus ähnlichen Gründen von Bedeutung sein. Es stellt jedoch keine einfache Aufgabe dar, solche Funktionen mit Nanometer- oder Subnanometer-Präzision zu erzielen. Es ist sehr wichtig, das System in geeigneter Weise einzustellen, wenn eine Präzision im Nanometerbereich erforderlich ist. Die Einstellbedingungen, z.B. der Winkel zwischen der Sonde und der Gitteroberfläche, die Gitteroberflächen-Neigung und Sondenoszillations-Amplitude beeinflussen alle die Genauigkeit der Positionsabfühlung entscheidend. Bisher jedoch gab es keine einfachen Methoden, um die Bedingungen zu verifizieren.
Derzeit wird die Ansprechgeschwindigkeit nach der Erfindung durch eine relativ langsame natürliche Frequenz der mechanischen Vorrichtung bestimmt. Wenn eine höhere Positionsmessgeschwindigkeit erforderlich ist, muss ein neuer Anlauf gewählt werden.
Weitere Beispiele für den Stand der Technik in Zusammenhang mit der Erfindung ergeben sich aus:

– EP-Anmeldung 674 170
– US Patent 4,343,993
– Interaction force detection in scanning probe microscopy: Methods and applications, U. Dürig et al, J. Appl. Phys. 72 (5), 1. September 1992;
– Real-time subnanometer position sensing with long measurement range, T. Ohara & K. Youcef-Toumi, IEEE International Conference on Robotics and Automation, 1995.

Aufgabe der Erfindung ist, ein neuartiges und verbessertes Verfahren und eine entsprechende Einrichtung für die Echtzeit-Sensorpositions-Messung(und Steuerung) auf atomaren Oberflächen, Gittern und dergl. im Nanometerbereich mit Raster-Tunnel-Mikroskopen und Abstoßungskraft-Mikroskopen und dergl. durchzuführen, die einer oder mehreren der vorbeschriebenen Schwierigkeiten in Form von Phasenverzögerung, Vermeidung eines Sondencrashes, Steuerung des Spaltes und Sondenkonstruktion sowie betriebsmäßigen Schwierigkeiten und Beschränkungen ausgesetzt sind. Vorliegende Erfindung betrifft das Verfahren nach Anspruch 1 und die Einrichtung nach Anspruch 21.
Andere und weitere Ziele werden anschließend erläutert und gemäß den beigefügten Ansprüchen gelöst.
Kurzbeschreibung
Nach einem der wichtigen Aspekte wird die Erfindung in einem Verfahren zum Messesn der Echtzeit-Positionslage im Nanobereich einer Probe gesehen, die eine sich periodisch wellenförmig ändernde Oberfläche abtastet, wenn Oberfläche und Sonde relativ zueinander bewegt werden, bei dem ein Abfühlfeld zwischen der Sonde und der Oberfläche aufgebaut wird, die Sonde während dieser Abtastung um einen Bezugs-Ursprungspunkt der Sonde aufgrund einer steuernden Sinusspannung in Oszillationen versetzt wird, die sinusförmige Ausgangsspannung, die von dem Abfühlfeld während der Oszillationen und nach dem Durchlaufen der Oberfläche erzeugt wird, die Phasenlage und/oder Amplitude der Steuer- und Abgabespannungen dadurch verglichen wird, dass die sinusförmige Ausgangsspannung mit der sinusförmigen Steuerspannung multipliziert und eine Phasenverzögerung zwischen der sinusförmigen Steuerspannung und der tatsächlichen Sondenoszillation eliminiert wird.
Nachstehend werden neuartige Teilsätze und Teilkombinationen ebenfalls beschrieben und beansprucht, und zwar in Form von bevorzugten und bestmöglichen Ausführungsformen und Ausgestaltungen.
Zeichnungen
Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen beschrieben, wobei die 1–10(b) Reproduktionen der entsprechenden Figuren der früheren Patentanmeldungen darstellen und die 11(a)–21 insbesondere auf die Verbesserungen nach vorliegender Erfindung gerichtet sind.
1 ist eine kombinierte isometrische Ansicht eines Raster-Tunnelmikroskop-Sensors und einer Detektorschaltung sowie eine atomare Oberfläche, die relativ zueinander bewegt werden;
2 ist eine einfache schematische Ansicht eines Abstoßungskraft-Mikroskop-Sensors für die Zwecke der Erfindung,
3(a) ist eine kombinierte isometrische Ansicht, die STM für eine schematische Positionsmessung verwendet, wobei die graphische Darstellung den Ausgang aus dem I-V-Wandler, X-Steuersignal und Y-Steuersignal zeigt;
3(b) zeigt ein Flussschema der Positionsmess – Berechnung;
4 zeigt eine Anwendungsform, die die Erfindung als Positions-Sensor für die X-Tischsteuerung benutzt;
5 ist eine schematische Ansicht nach der Erfindung mit einem holographischen Gitter- und einer linearen Abtast-Sensor-Bewegung, um eine eindimensionale Positionsinformation zu erzielen;
6 ist ein Beispiel für ein zweidimensionales Flusschema der Positionsmess-Berechnung;
7(a) und 7(b) sind Modifikationen zur Anwendung der Erfindung mit magnetischen und elektrischen Feldern mit welligen oder alternierenden Oberflächenfeldern;
8 ist eine ähnliche Ansicht einer kapazitiven Abfühlung eines physikalisch welligen Gitters;
9 ist eine STM-Reproduktion einer Graphitprobe, wie sie zum Testen der Erfindung verwendet wird;
10(a) und 10(b) stellen Computer-Simulationen dar, die echte atomare Oberflächendaten der Sondenabtastungen verwenden und einen Tunnel-Stromausgang ergeben;
11(b) ist ein verbessertes Fusssystem für die Positionsmess – Berechnung mit einem zusätzlichen Frequenz-Synthesizer, und 11(a) zeigt deren Phasen-Verriegelungs-Schleife;
12 zeigt einen verbesserten Positions-Detektions-Fluss mit einem zusätzlichen Frequenz-Synthesizer im Referenz-Nachlaufbetrieb;
13(a) ist eine neuartige zuverlässige Spalt-Abstands-Steuerung, die die Positions-Mess-Resultate nicht beeinflusst;
13(b) zeigt die experimentellen Daten, die bei der Anwendung des in 13(a) gezeigten Verfahrens erhalten werden;
14(a) ist eine neue Anordnung einer mikrobearbeiteten Sonde, die für die Anwendung bei der Erfindung geeignet ist;
14(b) ist eine isometrische Ansicht einer neu konstruierten mikrobearbeiteten Sonde;
15 ist eine ähnliche Ansicht und zeigt ein Schaltbild für die Sondenoszillation mit einem integrierten Stellantrieb und der Verwendung der mikrobearbeiteten Sonde;
16 zeigt ein neuartiges verbessertes System für große Verschiebungen und Präzisions-Stellantrieb-Steuerung;
17(a) und 17(b) zeigen isometrische Ansichten der Abtastung, die eine absolute Positions-Abfühlung ergibt;
18 zeigt eine exakte Winkelmesstechnik für das anfängliche Einrichten der Vorrichtung;
19 ist ein ähnliches Schaltbild, das ein Verfahren zur Messung der Amplitude der Sondenoszillation zeigt, ohne dass ein zusätzlicher Verschiebungs-Sensor erforderlich ist;
20(a) ist ein ähnliches Schaltbild einer Vorrichtung/eines Verfahrens zur Verbesserung der Geschwindigkeit der Positions-Messung;
20(b) ist ein Kurvenformdiagramm, das das Zeitverhalten der Multiplex-Signale zeigt;
21 ist ein Diagramm ähnlich dem nach 20(a), das eine Vorrichtung/ein Verfahren für das Hochgeschwindigkeits-Positions-Messen zeigt;
22 ist ein Blockschaltbild, das die Verwendung einer neuartigen Doppelsonden-Konfiguration zeigt;
23 ist ein Blockschaltbild, das ein Verfahren zum Messen und Kompensieren der Sonden-Verschiebung/des Winkels zeigt;
24 zeigt eine verbesserte Absolut-Positions-Abfühlung mit einer einzelnen Sonde und mit einer Vergrößerung des Signal/Rausch-Verhältnisses durch Oszillieren der Sonde in der Y-Richtung;
25 zeigt ein Blockschaltbild eines Steuer-Verfahrens für die Steuerung des Spaltabstandes in einer stark nichtlinearen Charakteristik-Umgebung, und
26 zeigt andere Arten von Positions-Mess-Konfigurationen.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen)
Die bevorzugte Ausführungsform der Einrichtung, die eine Verbesserung vorliegender Erfindung gegenüber den vorbeschriebenen Ausführungen, wie sie in den früheren Patentanmeldungen der Anmelderin beschrieben und dargestellt ist, ist in 1 in Verbindung mit einem Raster-Tunnel-Mikroskop dargestellt. Eine Abtast-Sensorsonde 2, z.B. ein spitzer Wolfram- oder Pt-Ir Draht oder dergl. ist in der Zeichnung als in der STM-Betriebsweise arbeitend über eine stromleitende, wellenförmige atomare Oberflächenprobe 3 dargestellt, die beispielsweise auf einem Tisch oder einer Oberfläche T angeordnet ist, wie 4 zeigt. Wenn die Sensorspitze mehrere Nanometer über der Probenoberfläche 3 positioniert ist, wird ein Tunnelstrom durch die Vorspannung V erzeugt, die zwischen der Sensorspitze und der Elektrode 2' am unteren Ende der Oberflächenprobe angelegt wird.
Der Tunnelstrom wird an einem I–V Wandler A angelegt und ergibt eine Ausgangsspannung V_out, die eine Funktion des Abstandes zwischen der Sensorsonde 2 und den Atomen der Oberfläche 3 ist. Durch Abtasten der Sonde 2 in den X, Y-Richtungen über der Probenoberfläche wird die topographische Information der Oberfläche erhalten, und es wird dadurch ein Bild der atomaren Oberfläche rekonstruiert (9).
Nach der Erfindung wird die Sensorsonde 2 im Wesentlichen kreisförmig oder linear, wie insbesondere in 3(a) dargestellt, um einen Ursprungs-Bezugspunkt durch einen oszillierenden piezoelektrischen Stellglied-Zylinder 1 in oszillierende Bewegung versetzt, mit dem er mechanisch, jedoch isolierend, verbunden ist; andererseits wird er von angelegten X- und Y-Steuerspannungen in Sinusform angetrieben. Wie dargestellt, sind ein Paar von Elektroden in X-Richtung für die Piezoelektrik (Sinusspannung – Asin ωt), ein Paar für die Y-Richtung (cosin-Spannung – Asin (ωt + Φ), wobei Φ ist π/2), und eine Z-Elektrode für die Höheneinstellung auf die gewünschten verschiedenen Nanometerabstände, die für die Erzeugung des Tunnelstromes erforderlich sind, vorgesehen.
Die Ausgangsspannung V_out ist somit sinusförmig, jedoch nicht in Phase mit und auch nicht mit gleicher Amplitude wie die der piezoelektrischen Stellglied-Steuersignale, wie in der Kurvenform-Darstellung nach 3(a) gezeigt. Durch Vergleichen der Phasenlage und der Amplitude von V_out mit der der Steuerspannung, die den piezoelektrischen Oszillator antreibt, kann die Position der Sonde – ihre Bezugsrichtung von und im Abstand vom Scheitel des nächsten Atoms – erhalten und damit auch die Position der Sonde längs der Oberfläche, codiert und angezeigt werden.
In 3(b) werden Vergleiche der Amplitude und der Phasenlage der sinusförmigen Signale der Steuer- und Ausgangsspannung mit Bezugsfrequenz an den Vervielfachern C und C' erzielt. Nach Durchlaufen der entsprechenden Phasen-Detektion bei PD und der Amplituden-Detektion bei AD (vorzugsweise, obgleich nicht entscheidend nach einer AM-Demodulationsart, wie beispielsweise in Modulation Theory, Harold S. Klack, D. Van Nostrand Co., 1953, Seite 141 ff. und in The Art of Electronics, Paul Horowitz und Winfield Hill, Cambridge University Press, 1993, Seite 1031 beschrieben), werden die Sonden-Positions-Informationssignale erzeugt, wie mathematisch in meiner vorstehend genannten Veröffentlichung IEEE International Conference on Robotics and Automation Proceedings, veröffentlicht May 22, 1995, dargelegt. Diese können angezeigt, aufgezeichnet und/oder z.B. durch Rückkopplung F, 4 zu Steuerzwecken, z.B. zur Antriebssteuerung des Tisches T, der die Probe 3 aufnimmt, verwendet werden.
Wenn die Bewegung des Tisches mit hoher Geschwindigkeit vorgenommen wird, können Doppler- oder ähnliche Frequenzveränderungen in V_out im Vergleich zur Frequenz der Piezo-Antriebsspannungen auftreten, diese können jedoch auf einfache Weise durch die Bewegung abfühlende Rückkopplung kompensiert werden, wie dies bekannt ist.
Zum besseren Verständnis dieser Betriebsweise und der ihr zugrunde liegenden mathematischen Grundlagen und ausgehend von einem Fall einer linearen Abtastung der Sonde 2 in den 3(a) und 3(b) wird die V_out Funktion mathematisch durch die folgende Gleichung dargestellt, die sich auf diese Ausgangsspannung V_out bezieht, welche durch den Tunnelstrom (der Amplitude A) im Spalt zwischen der Sonde 2 und dem entgegengesetzten Punkt (an der unbekannten Position X_o) der atomaren oder einer anderen periodischen Struktur 3 (der Periodizitäts-Frequenz ω') und mit der Sondenoszillation über einen Radius r bei einer Frequenz ω, 3(a) erzeugt wird, gilt:
wobei V_o die Spannung ist, die von dem Tunnelstrom bei einem mittleren Sonden-Oberflächen-Spalt erzeugt wird, m eine ganze Zahl und J die Bessel-Funktion ist. (Dies entspricht der Gleichung (5) in dem vorerwähnten Aufsatz IEEE). Gleichung (1) zeigt, dass das Ausgangssignal V_out viele Frequenzkomponenten mit einer Frequenz höher als die Oszillationsfrequenz der Sonde 2 enthält, und die Amplitude der Frequenzkomponente n-ter Ordnung proportional J_n(rω') ist.
Das Ziel der Positionsmessung ist, wie vorstehend ausgeführt, den Wert von X_o aus dem Spannungssignal V_out zu ermitteln. Zurückkommend auf 3(b), bei der die Spannung V_out der 3(a) auf der linken Seite eingegeben dargestellt ist, und unter Berücksichtigung einer ersten, eindimensionalen Positionsstelle (X_o) mulitpliziert der Vervielfacher bei C, 3(b), diese Spannung V_out der Gleichung (1) mit dem Sonden-Steuersignal sin(ωt), das, wenn es bei der Frequenz ωdetektiert und durch ein Tiefpassfilter geschickt wird, selbsttätig zu den Signalen führt, die durch die folgende Gleichung dargestellt werden, was den Wert der Position X₀ der Sonde auf der atomischen oder anderen Oberfläche von dem nächsten Scheitel oder Gipfel ergibt: –Asin(ω'X0)J1(rω') (2)
Entsprechend gilt, dass –Acos(ω'X0)J2(rω') (3)durch Multiplizieren der Gleichung (1) mit cos(2ωt) erhalten wird. (Die Gleichungen (2) und (3) entsprechen der Gleichung (6) in dem vorgenannten Aufsatz IEEE). Mit den beiden Resultaten wird eine vollständige Positions-Messung (X₀) erzielt.
Betrachtet man die zweidimensionale Positions-Detektion, gelten ähnliche Ausführungen für die Y-Richtung, wobei die dicken Linien im Ausgang des Sonden-Betätigungs-Steuersignalgenerators des Vervielfachers C in 3(b) und in 6 in herkömmlicher Weise X und Y darstellen.
Im Falle einer kreisförmigen Sondenabtastung kann das Ausgangssignal V_out nach präziser Analyse wie folgt dargestellt werden: Vout = – 2Asin(ω'X01)J1(rω')sin(ωt) – 2Asin(ω'Y01)J1(rω')cos(ωt) + 2A(cos(ω'X01) – cos(ω'Y01))J2(rω')cos(2ωt) (2) was zeigt, dass das Ausgangssignal auch sinusförmig ist und die Amplitude einer jeden Komponente (z.B. sin(ωt) oder cos(ωt) in Gleichung (4)) die Positionsinformation X₀₁, Y₀₁ darstellt, wie in dem experimentellen Ergebnis der 10(b) gezeigt.
Wenn eine Phasen-Detektion im Fall der 5 anstelle einer Amplituden-Detektion verwendet wird, multipliziert der Vervielfacher (die Vervielfalcher) C' (3(b)) die Ausgangsspannung V_out vom I-V-Wandler mit cos(0,5ωt), was ergibt:
p und q sind Vektoren, die i entsprechen. Wenn nunmehr die Oszillations-Amplitude r so gewählt wird, dass J_p(i)(rw') = J_q(i)(rω') für ein bestimmtes i ist, ergibt sich B(i) = Jr(1)(rω'), θ(X0) = ω'X0 (7)Somit wird automatisch ein Signal F erzeugt, das durch ω' X₀ nach der Phasendetektion bei PD in 3(b) dargestellt wird.
9 zeigt ein STM-topographisches Bild der Atome einer hochorientierten Pyrolit-Graphit(HOPG)-Oberfläche eines Klasse B-Graphits von Union Carbide mit einer Größe von 1,2 × 1,2 Nanometern, das durch Verwendung einer Pt-Ir-Drahtsondenspitze 2 hergestellt wurde, die im Bereich von 1–2 Nanometern über der atomaren Oberfläche 3 eingestellt wurde und die über der Probe in etwa einer Sekunde eine Abtastung durchgeführt hat. Es wurden sinusförmige Steuerspannungen von 200 Hz an einen piezoelektrischen Zylinder mit einer Länge von einem halben inch und einem Durchmesser von einem viertel inch angelegt; der Zylinder wurde von Matlock Company geliefert, mit ihm wurde die Sonde 2 über Epoxy verbunden und eine isolierende keramische Scheibe 7 aufgesetzt, um die Sonde gegen piezoelektrische sinusförmige Steuersignale der 1 in der X- und Y-Richtung zu isolieren. Bei der Rechnerauslesung nach 10a wurden die Graphitatome in ihrer Kontur als die schmalen Kreise dargestellt, die von konzentrischen oder nahezu konzentrischen Kreisen umgeben sind, welche die rotierende Oszillation der Sondenspitze 2 unter Steuerung der Steuersignale X und Y darstellen. Der resultierende entsprechende Tunnelstrom (obgleich unterschiedlicher Phase und Amplitude), der eine Abtastung lang (nach Hochpass-Filterung) erzeugt wurde, ist in 10(b) dargestellt und wurde durch die Sondenoszillation erzeugt.
Wie vorstehend ausgeführt, kann die Sonde 2 durch einen auskragenden Sensor S mit einem Atomkraft-Zwischenwirkungsfeld eines AFM, wie z.B. von der Art, die in dem vorausgehend genannten Patent beschrieben ist, ersetzt werden.
Es wurde weiter oben auch ausgeführt, dass andere physikalisch wellenförmige Oberflächen als eine atomische Oberfläche ebenfalls abgetastet werden können, wobei die Nanometer-Sensor-Positionslage-Technik nach der Erfindung angewendet wird, wie z.B. das mit stromleitendem Überzug versehene holographische Gitter 3' der 5 – dargestellt für eine eindimensionale Abtastung. Die Technik kann eindeutig auch mit anderen Wellungsgittern oder Linierungen oder Oberflächen und dergl. genutzt werden.
Die Sensorsonde kann ferner auch auch, wie in 8 dargestellt, kapazitiver Art sein, sie zeigt die Verwendung einer spitzen Elektrode, die kapazitiv mit der Oberflächenelektrode 2' zusammenwirkt und linear in Oszillationen versetzt wird, in diesem Fall über ein Gitter 3, das mit stromleitendem Material überzogen ist.
Die Erfindung ist natürlich nicht auf die Ausführungsformen nach den 1–5, nämlich auf eindimensionale Positionsstellen beschränkt. 6 zeigt die Anordnung von zweidimensionalen Positionssignalen in der Art nach 3, jedoch für X und Y-Komponenten der Steuer- und Ausgangsspannung.
Wie bereits früher ausgeführt, brauchen die Wellungen oder die periodisch wechselnden Spitzen oder Scheitel und Täler einer abzutastenden Oberfläche nicht nur physikalische Wellungen sein, sondern die Oberfläche kann auch periodische magnetische oder elektrische Wellungen oder Spitzen und Täler enthalten. In 7(a) sind periodische magnetische Wellungen dargestellt, die ein wellenförmiges magnetisches Feld durch aufeinanderfolgende Oberflächenbereiche mit entgegengesetzter Nord-(N) und Süd-(S) Polarität erzeugen, wobei ein magnetischer Sensor linear in Oszillationen versetzt und eine sinusförmige Ausgangsspannung durch magnetische Wechselwirkung mit den auf der Oberfläche vorgesehenen magnetischen Wellungen erzeugt wird. Die analogen elektrischen Wellungen sind in 7(b) durch entgegengesetzt geladene ferroelektrische oder andere aufeinanderfolgende Bereiche auf der Oberfläche dargestellt und verwenden beispielsweise eine auskragende Abtastung mit elektrischer Kraft.
In Hinblick auf die Verbesserungen, die mit dem Verfahren und der Einrichtung nach vorliegender Erfindung erzielt werden, wird zunächst auf 11(b) Bezug genommen, die ein Blockschaltbild ähnlich einer Kombination aus den 3(a) und 3(b) ist und die eine Positions-Detektionsmethode nach vorliegender Erfindung darstellt, die die Ansprechgeschwindigkeit und die Genauigkeit erhöht. Der Einfachheit halber wird nur der Fall des Phasen-Detektions-Verfahrens beschrieben; dieses Verfahren ist jedoch auch anwendbar für die Amplituden-Detektions-Methode. Die tatsächliche Verschiebung des Piezo-Betätigers 1 wird zunächst durch einen Verschiebesensor überwacht. Dieses Signal wird dann in einem Frequenz-Synthesizer eingespeist, der Signale (cos(0,5ωt) und 2,5 ωt oder sin(ωt) und cos(2ωt) für die Amplituden-Detektionsmethode abgibt, die mit der Sondenoszillation synchronisiert wird. Auch hier erzeugt die Multiplikation im Vervielfacher C' das Positionssignal nach der Phasendetektion PD, die auch den Phasenausgang (2,5 ωt) aus dem Frequenz-Synthesizer als Bezugsquelle verwendet.
Ein grundlegendes schematisches Diagramm eines solchen Frequenz-Synthesizers FS ist in 11(a) dargestellt, und zwar auf der Basis der phasenverriegelten Schleifen-Methode (PLL). Die PLL-Schleife (gestrichelt dargestelltes Kästchen) enthält ein Schleifenfilter, einen Integrator und einen Oszillator, dessen Ausgangsphase so gesteuert wird, dass die Eingangsphase dadurch angepasst wird, dass die Phasendifferenz zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangssignal am Vervielfacher C' detektiert wird. Eine Frequenz-Synthese kann auf einfache Weise dadurch erzielt werden, dass das Ausgangssignal aus der PLL in den Sinus-Funktions-Generator gespeist wird, wie in 11(a) gezeigt.
Dieses neuartige Verfahren ergibt stabile und hochpräzise Resultate für die Positions-Messung selbst dann, wenn die Sondenoszillations-Frequenz nahe ihrer Resonanz-Frequenz liegt, da die Phasenverschiebung der Sondenoszillation aufgrund der Änderung von Umgebungsbedingungen nach dem Verfahren vorliegender Erfindung korrigiert wird.
12 ist ähnlich der 11(b), zeigt jedoch den Fall, bei dem Positionssignale zur Steuerung der Relativbewegung der Sonde und der Oberfläche, wie vorher beschrieben, rückgekoppelt werden, wie bereits früher in Verbindung mit der Ausführungsform der vorbeschriebenen 4 erörtert, nunmehr aber insbesondere zum Nachführen der Bewegung des Gitter-Scheitels/Tales. In diesem Fall kann die Position der Sensorsonde wie folgt beschrieben werden: x = rsin(ωt) + xA. (8) wobei x_A die mittlere Position der Sensor-Sondenoszillation ist. Wenn
wird das Signal
nachdem der Phasendetektor(PD) stets nπ wird, unabhängig von der Oszillations-Amplituden-Änderung. Wenn somit die Mittenposition der Sensor-Sondenoszillation so gesteuert wird, dass das Ausgangssignal aus dem Phasendetektor in 3(b) den Wert nπ annimmt, ergibt sich die Position mit
wobei angenommen wird, dass x_A bekannt ist. Dies ist eine Situation, in der die Mittenposition der Sensor-Sonden-Oszillation oberhalb eines Scheitels oder eines Tals der Gitterskala verriegelt ist. Ähnliches gilt, wenn
wobei das Signal nach dem Phasendetektor PD stets π/2 + nπ unabhängig von der Oszillations-Amplitudenänderung wird. Dies ist auch eine Situation, in der die Mittenposition der Sensor-Sondenoszillation X₀ + X_A oberhalb eines Null-Kreuzungspunktes der Gitterskala „verriegelt" ist. In einem solchen „Verriegelungs"-Zustand kann die Position X₀ aus der Gleichung (10b) mit einem Wert von x berechnet werden.
Diese Verbesserung der Positions-Detektion ergibt eine höhere Präzision aufgrund der Unempfindlichkeit gegenüber Sondenoszillations-Amplituden-Änderungen oder Fehlern.
Während eine einzelne Sonde beschrieben worden ist, können auch zusätzliche Sonden verwendet werden. In 22 beispielsweise sind zwei Sonden, nämlich Sonde A und Sonde B dargestellt, die längs einer linearen Gitterfläche mit einem Abstand X₁ = 1 / ω'(2nπ + θ') voneinander angeordnet sind, wobei n eine willkürliche ganze Zahl ist. Jede Sonde wird mit der gleichen Fregeunz ω, jedoch mit einer unterschiedlichen Phasenlage in Oszillationen versetzt: xA(t) = rsin(ωt) xB(t) = rsin(ωt + θ) (11)
Damit wird die Ausgangsspannung nach dem Subtrahieren des Ausgangs von dem I-V-Wandler 1 durch den Ausgang aus dem 1-V-Wandler 2
Auch hier wird die Positions-Information X₀ nach dem Phasendetektor(PD in den 3(b), 11(b) und 12) erzielt. Durch Änderung des Wertes von θ und θ' werden mehrere Variationen für dieses Verfahren möglich.
Trotz der erhöhten Komplexität ist ein Vorteil dieser Konfiguration darin zu sehen, dass die gewünschte Bandbreite des I-V-Wandlers reduziert werden kann, da nur die Frequenz erster Ordnung für die Positionsmessung erforderlich ist. Im Falle der Einzel- Sonden-Konfiguration muss der I-V-Wandler eine zweimal höhere Bandbreite haben als in den Gleichungen (2) und (3) angegeben ist. Der Einfluss des allgemeinen Rauschens, der in jeder Sonde auftritt, wird bei dieser Annäherung ebenfalls ausgeschaltet.
26 zeigt andere Arten von Positions-Mess-Konfigurationen, die den zweidimensionalen Gittern für X, Y-Orthogonal-Positions-Messungen aufgegeben werden. Ein erster Fall zeigt, dass die beiden Sensorsonden diagonal relativ zueinander in Hinblick auf die Bewegungsrichtung über der Bezugsskala angeordnet sind. Das gezeigte Gitterschema kann durch folgende Gleichung ausgedrückt werden: Z = A1cos[ω'(x1 + Xoj)] + A1cos[ω'(y1 + Yoj)], j = 1.2 (14)
Wird nunmehr nur eine Sonde 1 betrachtet, ergibt sich
nach dem Multiplizieren der Ausgangsspannung V_0ω1 mit cos(0,5 ωt) erhalten, wobei gilt:
wobei p und q Vektoren sind, die i entsprechen. Wenn die Oszillations-Amplitude r so gewählt wird, das J_p(i)(rw') = J_q(i)(rw') für ein bestimmtes i gilt, ergibt sich B(i) = Jp(i)(rω'), θ(X01) = ω'X01 (17)
Damit wird die Positions-Information in der x-Richtung X₀₁, durch den Phasendetektor (PD in 3(b) zum Beispiel) erhalten. In ähnlicher Weise wird die Positionsinformation in der Y-Richtung Y₀₂ über die Sonde 2 erhalten.
Eindimensionale Gitter für X, θ Positionsmessung mit Mehrfach-Sonden wird ebenfalls gezeigt. In diesem zweiten Fall wird jede Sonde in der vorbestimmten Richtung in Oszillation versetzt, und die Position wird in der gleichen Richtung gemessen, so dass die erwartete Positions-Messung durch Vergleichen der beiden Mess-Resultate durchgeführt wird, wobei angenommen wird, dass der Drehmittelpunkt bekannt ist.
In Hinblick auf die vorbeschriebenen Spalt-Steuer-Probleme zeigt 13(a) eine Einrichtung zur Erzielung einer verbesserten Spaltsteuerung, die effektiv die Positions-Information entkoppelt, die in der Ausgangsspannung V_out enthalten ist. Sie enthält eine rücksetzbare Spitzen-Detektions-Schaltung RPD, die auch durch digitale Berechnung realisiert werden kann. Diese Schaltung hält die maximale Ausgangsspannung über eine bestimmte Zeit, die etwas länger ist als ein Zyklus der Sondenoszillation. Der Spitzenwert, der in der Schaltung aufrecht erhalten wird, wird zuerst in die Z-Achsen-Spannung der Piezorohr-Betätigungsvorrichtung zurückgespeist, so dass die Sonde den minimalen Spaltabstand von der Gitter-Oberfläche halten kann, wobei ein solcher Spitzenwert auf einem vorbestimmten Pegel gehalten wird. Der Spitzenwert wird dann für die nächste Spitzen-Detektion rückgesetzt. In der Zwischenzeit wird die Ausgangsspannung V_out in die Positions-Detektions-Schaltung zurückgeführt. Da das Spalt-Steuer-Frequenzansprechen wesentlich langsamer verläuft als die Sondenoszillations-Frequenz, beeinflusst dieses Schema den folgenden Positions-Mess-Vorgang nicht.
13(b) zeigt experimentelle Daten, die mit dem in 13(a) beschriebenen Verfahren erhalten werden. Dabei wurde die mikrobearbeitete Sonde, die in 14(a) beschrieben wurde, verwendet. Die obere graphische Darstellung zeigt den Wert V_out, bevor das Gitter sich bewegt. Die Sonde wird mit etwa 3 kHz in Oszillation versetzt. Die x-Achse zeigt die Zeitdauer (200 μsec/div) und die y-Achse zeigt den Wert V_out. Die untere graphische Darstellung zeigt das Ergebnis, nachdem die Gitterposition geringfügig bewegt worden ist. Die Differenz des Signalschemas kann festgestellt werden. Es ist somit klar, dass die neue Steuermethode nach vorliegender Erfindung einen entsprechenden Spaltabstand aufrechterhält, ohne dass die Positions-Information verloren geht.
25 zeigt das Verfahren der Spaltsteuerung unter Verwendung einer nichtlinearen Funktions-Abbildung. Die Kurve des Tunnelstroms in Abhängigkeit von dem Spaltabstand wird nahezu linear bei einem niedrigen Spannungsausgangsbereich abgebildet. Die Kurve wird jedoch so abgebildet, dass die entsprechende Funktion immer noch steil ansteigt, wenn der Spaltabstand sehr klein wird. Diese Abbildungsfunktion wird zuerst auf das Signal aus dem Spitzendetektor angewandt. Das Ausgangssignal aus einer solchen Abbildung wird dann als Rückkopplungssignal der Spaltabstands-Steuerung durch das Z-Spannungs-Steuergerät benutzt. Dieses Verfahren ergibt eine sehr stabile Steuerung und gewährleistet trotzdem, dass die Sonde nicht in die Gitteroberfläche einbricht.
Des weiteren zeigt in Zusammenhang mit der verbesserten Spaltsteuerung 16 ein Blockschaltbild, das ein Verfahren wiedergibt, um einen großen Bewegungsbereich in einem Festzustands-Betätiger, z.B. piezoelektrischen oder elektrostriktiven Stellantrieben zum Zwecke der Spaltabstands-Steuerung zu erzielen, während eine hohe Auflösung beibehalten wird, und zwar unter Verwendung eines digitalen Steuersystems. Dies kann dadurch realisiert werden, dass zwei Digital-Analog-(D/A)-Wandler eingesetzt werden. Nach Berechnung der erforderlichen Steuerspannung in der Z-Richtung wird dieses Steuersignal durch die beiden D/As gesendet. Die Ausgangsspannungen V1 und V2 über die Filter F1 und F2 werden summiert, nachdem sie durch R/R1(= 1) und R/R2(= 10) über den Hochspannungs-Summier-Verstärker verstärkt worden sind. Wenn der D/A eine Auflösung von 16 Bits und einen Ausgangsbereich von +/– 10 V hat, ermöglicht diese Konfiguration, dass die Spannung an der Z-Achse am Ausgang des Hochspannungsverstärkers +/– 110 V kontinuierlich schwingt. Trotz eines solch hohen Spannungsbereiches ist die Ausgangs-Auflösung durch die Auflösung des D/A-Wandlers bestimmt, die etwa 0,3 mV beträgt.
Wenn das Signal verstärkt wird, wird üblicherweise auch das Rauschen verstärkt. Um diesen Einfluss so gering wie möglich zu halten, bildet das Filter F2(s) ein Tiefpass-Filter. F1(s) wird dann so gewählt, dass es eine Übertragungsfunktion hat, so dass das Übergangsansprechen bei dem Hochspannungs-Verstärker optimiert werden kann.
Die vorbeschriebenen Beschränkungen bei der bekannten Sondenkonstruktion und ihre Behebung werden in 14(a) angesprochen, die einen Fabrikationsprozess für eine Sonde darstellt, die aus einem <100> orientierten Silizium-Kristall-Wafer (Schritt (1) in 14(a)) hergestellt ist. Dieses Verfahren benutzt den Umstand, dass die Ätzrate bei <111> Oberflächen viel kleiner wird als alle anderen kristallographischen Ebenen, die anisotrope Ätzmittel, wie z.B. Kalium-Hydroxyd(KOH)-Schritt (3)) verwenden. Nachdem das Maskenschema durch die Schutzschicht ausgebildet worden ist (Schritt (2)), wird eine anisotrope Ätzung durchgeführt, die hauptsächlich <111> kristallographische Ebenen belässt, die eine Neigung von 54,7° haben. Dieses Verfahren benutzt auch den Umstand, dass die Geometrie der Öffnung, z.B. konvexer Ecken des Maskenschemas, mit einer solchen Ätzung (Schritt (3)) hinterschnitten wird. Als Ergebnis wird eine speerkopfartige Sonde ausgebildet. Schließlich wird ein sehr dünner (< 50 nm) Metallfilm aufgedampft (Schritt (4) damit die Elekrode gebildet wird, und er kann geschnitten (Schritt (5) und mit einer Basiseinheit verbunden werden. Diese Sonde hat die niedrigste natürliche Frequenz in der Dickendimension, was sie zur Erzielung der Verbesserung vorliegender Erfindung ideal geeignet macht. Verglichen mit herkömmlichen Abstoßungskraft-Mikroskop-Sonden(AFM) ist es einfach, sie mit der Basis zu befestigen, ohne dass Beschränkungen in Bezug auf den Verdrahtungsraum bestehen.
14(b) zeigt graphisch einen weiteren Vorteil dieser neuartigen Sondenkonstruktion. Die Sondenspitze wird vorzugsweise in Form eines symmetrisch verschlankten Schraubenzieherkopfes mit einer leichten Krümmung als Ergebnis eines anisotropischen Ätz- und Unterschneidungs-Effektes hergestellt. Aufgrund dieser symmetrischen Ausgestaltung hat die Sonde eine größere Toleranz im Anfangs-Einstell-Fehler θ zur Gitteroberfläche. Des weiteren ergibt diese Sondenausbildung eine größere effektive Sondenfläche verglichen mit der traditionellen punktförmigen Sonde, die bei örtlich gemittelten Signalausgang erhalten wird. Dies trägt zur Erhöhung des Signal-Rausch-Verhältnisses bei dem Mess-Resultat in der Endposition bei. Ein ähnlicher Effekt kann durch Oszillieren der Sonde in der Y-Richtung mit wesentlich höherer Geschwindigkeit als in der X-Richtung erzielt werden, was in der Figur ebenfalls angedeutet ist.
15 zeigt ein Beispiel eines monolithischen Sonden-Sensors/Betätigers auf der Basis der Ausgestaltung nach den 14(a) und 14(b). Der Oszillations-Betätiger kann unter Verwendung eines Piezofilm-Niederschlages oder magnetostriktiven Film-Niederschlages hergestellt werden, wobei ein Paar von Elektroden für kapazitiven Betrieb oder eine andere Art von Festzustands-Betätiger gebildet werden. Im Falle der 15 wird die Sondenvorrichtung mit Piezofilm ein Teil der Pierce-Oszillatorschaltung (aber natürlich nicht auf diese Schaltung beschränkt). Die Oszillations-Information wird positiv in den Betätiger-Antrieb zurückgespeist, wodurch eine stabile Oszillation erreicht wird.
Der Gegenstand einer verbesserten Positions-Abfühlung mittels einer Absolut-Positions-Messung wurde bereits früher angesprochen. 17(a) und 17(b) zeigen Verfahren zur Erzielung einer solchen Absolut-Positions-Information unter Verwendung vorliegender Erfindung. In 17(a) werden zwei holographische Gitter, die auf der gleichen Basisplatte in unmittelbarer Nähe zueinander ausgebildet werden, verwendet. Diese beiden holographischen Gitter haben geringfügig unterschiedliche Perioden von p und p'. Wenn die beiden Sonden über den Gittern oszillieren, zeigen die gemessenen Positionen den gleichen Wert. Das Verhältnis zwischen dem Abstand von dem nächsten Scheitel und jeder Gitterperiode zeigt jedoch unterschiedliche Werte aufgrund des geringfügigen Unterschiedes der Gitterperiode. In Wirklichkeit ist die Differenz des Verhältnisses eine Funktion des absoluten Abstandes vom Ursprung. Dies ist leicht einzusehen, wenn man die Schwebungseffekte berücksichtigt, die auftreten, wenn zwei Signale eng benachbarte Frequenzkomponenten haben. Durch Berechnung der Differenz eines solchen Verhältnisses werden damit absolute Positions-Informationen in Nanometer-Genauigkeit erhalten.
17(b) zeigt ein Verfahren zum Definieren einer solchen präzisen Position des Skalenursprungs. In diesem Fall bildet das Ende des Gitters eine ebene Oberfläche. Aus Gleichung (1) ergibt sich, dass der Ausgang aus dem Amplitudendetektor(AD in 3(b)) Null wird, wenn die Mitte der Sondenoszillation sich von der Gitterfläche zu der ebenen Oberfläche bewegt. Somit kann die Position des absoluten Ursprungs dadurch definiert werden, dass die Amplitude der Hochfrequenz-Komponenten in der Ausgangsspannung V_out überwacht wird. Mit einer Kombination der beiden Gitterverfahren, wie sie in 17(a) dargestellt werden, und der Ursprungs-Bestimmungsmethode ist eine vollständige, absolute Positionsmessung möglich.
24 ist eine Bilddarstellung, die ein Verfahren zur Erzielung einer absoluten Positionsmessung mit einer einzelnen Sonde zeigt, die in der X-Richtung und in der Y-Richtung zur gleichen Zeit über die beiden Gitteroberflächen abwechselnd oszilliert. Die absolute Position wird durch einen Vergleich des Verhältnisses zwischen dem Abstand von dem nächsten Scheitel und der Gitterperiode an jeder Gitterfläche erhalten.
Wenn die Gitterfläche eine leicht geneigte Oberfläche zur Ebene der Sondenoszillation hat, ändert der Ursprung der Sonden-Koordinate seine relative Position gegenüber der Gitter-Koordinate, sobald der Sondenbetätiger sich in der Z-Richtung bewegt, wodurch ein Fehler in der Positions-Messung auftritt. Es ist somit wichtig, den Winkel zu kennen, um eine geeignete Korrektur vorzunehmen. 18 zeigt ein Verfahren zum Messen eines solchen Winkels. In diesem Fall werden die Gitteroberfläche und die mikrobearbeitete Sondenfläche als einfacher optischer Spiegel für den Laser oder die LED-Lichtquelle verwendet. Wie die Figur zeigt, stellt die differentielle Lichtintensität durch den Foto-Detektor mit einer aus zwei Abschnitten bestehenden Fläche die Sondenbewegung in der X-Richtung wie auch den Winkel zwischen der Gitteroberfläche und der Sondenoszillationsebene dar.
Die Erfindung ermöglicht somit die Winkelmessung ohne Verwendung gesonderter Winkel-Sonsoren. Da der Neigungswinkel α der Gitteroberfläche den zusätzlichen Ausdruck αr sin(ωt) in der Ausgangsspannung V_out, wie in Gleichung (1) beschrieben, ergibt, ergibt sich die Amplitude der sin(ωt) und sin(3ωt) Komponenten wie folgt E = αr – 2Asin(ω'X0)J1(rω') F = –2Asin(ω'X0)J3(rω') (18)
Als Ergebnis stellt das Ausgangssignal
den Neigungswinkel α dar. Wenn die Probenoberfläche einfach flach ist, braucht natürlich nur die Amplitude von sin(ωt) Komponenten zur Erzielung des Neigungswinkels α gemessen werden. Da dieses Verfahren sehr empfindlich gegenüber Winkeländerungen ist, ist dies sehr zweckmäßig für die Winkelfeststellung allgemeiner Art.
Für die vorbeschriebenen Phasen-Detektions-Schemen ist es ferner zweckmäßig, den Sondenoszillations-Radius so zu wählen, dass er J_p(i)(rω') = J_q(i)(rω') für einen bestimmten Wert von i, wie vorstehend beschrieben, erfüllt. Es ist jedoch nicht einfach, die exakte Sondenoszillations-Amplitude zu kennen. Vorliegende Erfindung ergibt hier eine Verbesserung, die auch eine präzise Messung ermöglicht, ohne dass ein externer Sonden-Verschiebungs-Sensor verwendet wird.
Zum Beispiel werden aus der Gleichung (1) die Amplitude von sin(2ωt) und sin(4ωt) wie folgt ausgedrückt: A = 2Acos(ω')X0)J2(rω') B = 2Acos(ω'X0)J4(rω') (19)
Damit stellt das Ausgangssignal
die Funktion der Sondenoszillations-Amplitude r dar.
Wenn die elektrische Abstastgeschwindigkeit der Sensorelektroden v beträgt, kann die Ausgangsspannung V_out durch den Tunnel-Stromverstärker beschrieben werden durch: Vout = –V0 + Acos[ω'{vcos(θ1) + X0(t)}] (21)wobei unterstellt wird, dass die Sondenkoordinate zur ersten Sonden-Elektrode feststehend ist. Wenn die Position der letzten Elektrode
ist, kann die Position X₀ dadurch extrahiert werden, dass V_out in den Phasendetektor PD in 3(b) eingespeist wird. n ist dabei die Anzahl der Sondenelektroden.
20(a) zeigt ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung einer Hochgeschwindigkeits-Sondenabtastung. Mehrfach-Sonden-Elektroden werden an der Sonden-Struktur ausgebildet, wobei die Elektroden mit individuellen I-V-Wandlern verbunden sind. Die Mehrfach-Elektroden sind so positioniert, dass sie leicht gegen die Gitter-Scheitel/Tal-Linie gekippt sind. Durch elektronisches Abtasten (Multiplexen) jeder I-V-Wandler-Ausgangsspannung wird dabei ein ultraschnelles Positions-Messsystem erhalten werden. 20(b) erläutert einen weiteren Vorteil der Erfindung. Es werden Zeitverhalten elektrischer Impulse erzeugt, so dass die Ausgangsspannungen von I-V-Wandlern mit dem gleichen Zeitintervall abgetastet werden. Dies ist äquivalent der Bewegung einer einzigen Sonde mit einer konstanten Geschwindigkeit in nur einer Richtung. Damit zeigt der Multiplex-Signalausgang sin (ωvt + ωXo) an, wobei ω eine räumliche Frequenz des Gitters, v die Abtastgeschwindigkeit und Xo die zu messende Position ist. Dabei stellt die Phaseninformation die Position dar, die auf einfache Weise durch die Phasen-Detektions-Schaltung extrahiert werden kann.
21 zeigt eine andere Konfiguration einer Mehrfach-Elektroden (Sonden)-Positions-Detektionsvorrichtung. Im Unterschied zur Konstruktion nach 20 verwendet diese Modifikation geschichtete Elektroden zur Ausbildung eines Stapels von benachbarten Mehrfach-Sonden.

Claims

Verfahren zum Echtzeit-Positionslagemessen im Nanobereich einer sich periodisch wellenförmig ändernden Oberfläche, wenn Oberfläche und Sonde relativ zueinander bewegt werden, bei dem ein Abfühlfeld zwischen der Sonde (2) und der Oberfläche (3) aufgebaut wird, die Sonde (2) während dieser Abtastung um einen Bezugs-Ursprungspunkt der Sonde (2) aufgrund einer steuernden Sinusspannung (X, Y) oszilliert, die sinusförmige Ausgangsspannung (V_out), die von dem Abfühlfeld während der Oszillation und nach dem Durchlaufen der Oberfläche erzeugt wird, die Phasenlage und/oder Amplitude der Steuer- und Abgabespannungen dadurch verglichen wird, dass die sinusförmige Ausgangsspannung mit der sinusförmigen Steuerspannung multipliziert und eine Phasenverzögerung zwischen der sinusförmigen Steuerspannung und der tatsächlichen Sondenoszillation eliminiert wird, aus dem Vergleich Positionssignale auf einer kontinuierlichen Basis erzeugt werden, die die Richtung und den Abstand der Sonde vom Scheitelpunkt der nächsten Welle der Oberfläche beabstandet erzeugt werden und damit die Position der Sonde (2) längs der Oberfläche (3) ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Paar oszillierender, beabstandeter Sonden (A, B) verwendet wird, und zwar eine zur Erzielung von Positionssignalen längs einer Dimension, z.B. der X-Achse, und die andere, die mit der gleichen Frequenz wie die eine Sonde oszilliert, jedoch mit unterschiedlichen Phasenlage, längs einer orthogonalen Dimension, z.B. der Y-Achse verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Phasenverzögerungs-Eliminierung durch Überwachen der tatsächlichen Oszillations-Verschiebung der Sonden (A, B) und durch Steuern eines Frequenz-Synthesizers in Abhängigkeit von einer solchen Überwachung erzielt wird, um ein sinusförmiges Signal zu erzeugen, das mit einer solchen Oszillation synchronisiert ist und das synchronisierte Signal in der Vervielfachung anstelle der Steuerung der sinusförmigen Spannung verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Positionsignale zur Steuerung der Relativbewegung der Sonden (A, B) und der Oberfläche (3) zurückgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Mittenposition der Sondenoszillation so gesteuert wird, dass das Ausgangssignal nach der Phasendetektion für eine solche Mittenposition immer so eingestellt wird, dass sie nπ oder π/2 + nπ beträgt.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Sonden (A, B) diagonal zueinander relativ zur Bewegung der Oberflächen angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Abtastung für eine eindimensionale Positionsmessung durchgeführt wird, wobei jede Sonde (A, B) längs dieser Dimension in Oszillationen versetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der Spalt zwischen Sonde und Oberflächen überwacht wird und mit daraus erzeugten Signalen rückgekoppelt wird, um zu verhindern, dass die Sonden (A, B) in die Oberfläche bewegt werden.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Überwachung umfasst, dass die maximale Ausgangsspannung entsprechend einem Spitzenwert in der Oberfläche etwas länger als einen Zyklus der Sondenoszillation gehalten wird und dass die Spannung zur Steuerung des minimalen Spaltes zwischen Sonde und Oberfläche zurückgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem das Halten dann für die nächste Spitze der Oberfläche zurückgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem das Ausgangssignal in Hinblick auf den Spalt nichtlinear aufgetragen wird, für einen minimalen Spalt steil angestellt wird, und das Ausgangssignal aus einer solchen Auftragung als das rückgespeiste Signal verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Sonden (A, B) durch Mikrobeareitung in eine Speerspitzenform ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Metallfilm-Elektrodenflächen auf die Sonden (A, B) aufgebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Spitzen der Sonden (A, B) symmetrisch als Blatt mit leichter Kurvenbildung verdünnt werden.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die Sonden (A, B) aus einem Kristall-Wafer, z.B. aus Silizium oder dergl. hergestellt sind, der als monolithischer Sondensensor/Betätiger dient.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die Sonden (A, B) als Teil einer elektronischen Oszillatorschaltung verbunden sind.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Sondenpaar (A, B) über ein Paar von benachbarten Gittern mit leicht geringfügig unterschiedlichen Perioden in Oszillationen versetzt wird, dass unterschiedliche Verhältniswerte in dem Abstand entfernt von der nächsten Oberflächenspitze und jeder Gitterperiode (Rasterperiode) erzeugt werden und dass die Differenz solcher Verhältniswerte so berechnet werden, dass eine absolute Positionsinformation erzielt wird.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem die Sonden (A, B) über ein Paar von benachbarten Gitteroberflächen in den X- und Y-Richtungen gleichzeitig in Oszillationen versetzt werden, und die Verhältnisse zwischen dem Abstand entfernt von der nächsten Oberflächenwellenspitze und der Gitterperiode eines jeden Gitters verglichen werden, um eine absolute Positionsinformation zu erzielen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Sonden (A, B) in einer Ebene über eine Gitteroberfläche in Oszillationen versetzt werden, die leicht gegenüber einer solchen Ebene geneigt sind, und der Neigungswinkel durch reflektierendes Licht aus den Sonden (A, B) und dem Gitter gemessen und unterschiedliche reflektierte Lichtintensitäten detektiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Sonden (A, B) Mehrfachsätzen von Sondenelektroden versehen sind, deren jede Abtaststrom-Ausgangssignale erzeugt, und die Mehrfach-Stromsignale an entsprechende Ausgangs-Sinusspannungen zur Erzeugung der Positionssignale gemultiplext oder gleichzeitig umgewandelt werden.
Verfahren nach Anspruch 19, bei dem die Sonden (A, B) mit aufeinanderfolgenden geschichteten Elektroden zur Ausbildung eines Stapels von benachbarten Mehrfachsonden ausgebildet werden.
Einrichtung zur Echtzeit-Positionsmessung im Nanobereich einer Sensorsonde, die eine sich periodisch wellenförmig ändernde Oberfläche tastet, wenn die Oberfläche und die Sonde relativ zueinander bewegt werden, mit einer in Verbindung mit einer in Verbindung mit der Sonde (2) vorgesehenen Vorrichtung zum Einstellen eines Stromes zwischen der Sonde und der Oberfläche (3), einer Vorrichtung, die während des Abtastens so betätigbar ist, dass die Sonde (2) um einen Bezugs-Ursprungspunkt der Sonde entsprechend einer sinusförmigen Steuerspannung in Oszillationen versetzt wird, einer Vorrichtung zum Messen der sinusförmigen Ausgangsspannung (V_out), die von dem Strom während des Oszillierens und nach dem Durchlaufen der Oberfläche (3) erzeugt wird, einer Vorrichtung zum Vergleichen der Phasenlage und/oder Amplitude der Steuer- und Ausgangsspannungen einschließlich einer Vorrichtung zum Multiplizieren der sinusförmigen Ausgangsspannung durch die sinusförmige Steuerspannung, und einer Vorrichtung zum Eliminieren einer Phasenverzögerung zwischen der sinusförmigen Steuerspannung und der tatsächlichen Sondenoszillationsvorrichtung, um durch einen Vergleich Positionssignale auf einer kontinuierlichen Basis zu erzeugen, die die Richtung und den Abstand der Sonde entfernt von dem Scheitelpunkt der nächsten Wellung der Oberfläche und damit die Position der Sonde längs der Oberfläche anzeigt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Paar von oszillierenden, beabstandeten Sonden (A, B) vorgesehen ist, dass eine Sonde (A) zur Erzielung von Positionssignalen längs einer Dimension, z.B. der X-Achse, und die andere Sonde (B) der gleichen Frequenz wie die eine Sonde (A), jedoch mit unterschiedlicher Phasenlage längs einer orthogonalen Dimension, z.B. der Y-Achse in Oszillationen versetzt wird.
Einrichtung nach Anspruch 21, bei der die Phaseneleminiervorrichtung eine Schaltung zur Überwachung der tasächlichen Oszillationsverschiebung der Sonden aufweist, und ein Frequenzsynthesizer auf die Überwachung entspricht, um ein sinusförmiges synthetisiertes Signal, das mit einer solchen Oszillation synchronisiert ist, zu erzielen, und eine Vorrichtung zum Einführen des synchronisierten Signals in die Vervielfachungsvorrichtung anstelle der sinusförmigen Steuerspannung.
Einrichtung nach Anspruch 22, bei der der Frequenzsynthesizer eine Phasenverriegelungsschleife aufweist.
Einrichtung nach Anspruch 22, bei der eine Rückkopplungsschaltung zum Einspeisen der Positionssignale zurück in die Steuerung der Relativbewegung der Sonden (A, B) und der Oberfläche aufweist.
Einrichtung nach Anspruch 21, bei der eine Vorrichtung zur Steuerung des Bezugs-Ursprungspunktes der Oszillation der Sonden (A, B) vorgesehen ist, derart, dass das Ausgangssignal nach einer Phasendetektion für einen solchen Ursprungspunkt stets mit nπ oder π/2 + nπ eingestellt ist.
Einrichtung nach Anspruch 21, bei der Sonden (A, B) diagonal zueinander relativ zur Bewegungsrichtung der Oberfläche positioniert sind.
Einrichtung nach Anspruch 21, bei der die Abtastung für eindimensionale Positionsmessungen mit Hilfe des Oszillierens einer jeden Sonde (A, B) längs dieser Dimension vorgenommen wird.
Einrichtung nach Anspruch 21, bei der eine Vorrichtung vorgesehen ist, die den Spalt zwischen Sonde und Oberfläche überwacht und daraus Signale erzeugt, und eine Vorrichtung solcher Signale zurückspeist, um zu verhindern, dass die Sonden (A, B) in die Oberfläche bewegt werden.
Einrichtung nach Anspruch 28, bei der die Überwachungsvorrichtung eine Schaltung zum Aufrechterhalten der maximalen Ausgangsspannung aufweist, die einem Scheitelwert in der Oberfläche entspricht, der etwas länger ist als ein Oszillationszyklus der Sonden (A, B), sowie eine Vorrichtung zum Rückführen der Spannung für die Steuerung des minimalen Spaltes zwischen Sonde und Oberfläche.
Einrichtung nach Anspruch 29, bei der ein Rücksetzen der Halteschaltung zum Rücksetzen für den nächsten Scheitel der Oberfläche vorgesehen ist.
Einrichtung nach Anspruch 28, bei der eine Vorrichtung zur nichtlinearen Abbildung des Ausgangssignales gegenüber dem Spalt vorgesehen ist, die für den maximalen Spalt steil ansteigt, und das Ausgangsignal aus der Abbildung als Rückkopplungssignal verwendet wird.
Einrichtung nach Anspruch 21, bei der die Sonden (A, B) durch Mikrobearbeiten in Speerspitzenform ausgebildet sind.
Einrichtung nach Anspruch 32, bei der die Metallfilm-Elektrodenoberflächen den Sonden (A, B) aufgegeben werden.
Einrichtung nach Anspruch 32, bei der die Spitzen der Sonden (A, B) symmetrisch dünn als Schneide mit geringfügiger Krümmung ausgebildet sind.
Einrichtung nach Anspruch 32, bei der die Sonden (A, B) aus einem Kristallwafer, z.B. Silizium oder dergl. ausgebildet sind und als monolithischer Sondensensor/Betätiger dient.
Einrichtung nach Anspruch 35, bei der die Sonden (A, B) als Teil einer elektronischen Oszillatorschaltung verbunden sind.
Einrichtung nach Anspruch 21, bei der die Sonden des Sondenpaares (A, B) über ein Paar von benachbarten Gittern mit leicht unterschiedlichen Perioden in Oszillationen versetzt sind, die unterschiedliche Verhältniswerte im Abstand versetzt von dem Wellenscheitel der nächsten Oberfläche liefern und jede Rasterperiode mit dem Unterschied solcher Verhältnisse eine absolute Positionsinformation liefert.
Einrichtung nach Anspruch 21, bei der die Sonden (A, B) über ein Paar benachbarter Gitterflächen in der X- und der Y-Richtung gleichzeitig in Oszillationen versetzt werden, wobei die Verhältnisse zwischen dem Abstand entfernt von dem Wellenscheitel der nächsten Oberfläche und der Gitterperiode an jedem Raster eine absolute Positionsinformation ergibt.
Einrichtung nach Anspruch 21, bei der die Sonden (A, B) in einer ebene über eine Rasteroberfläche, die gegenüber einer solchen Ebene leicht geneigt ist, in Oszillationen versetzt werden, und eine Vorrichtung vorgesehen ist, die den Winkel der Neigungsberechnung misst, wobei eine Vorrichtung zum Reflektieren von Licht aus der Sonde und dem Raster sowie eine Vorrichtung zum Detektieren der resultierenden unterschiedlichen reflektierten Lichtintensität vorgesehen ist.
Einrichtung nach Anspruch 21, bei der die Sonden (A, B) mit Mehrfachsätzen von Sondenelektroden versehen sind, deren jede Abtaststrom-Ausgangssignale erzeugt, und eine Vorrichtung zum Multiplexen oder gleichzeitigen Umwandeln der Mehrfachstromsignale in entsprechende sinusförmige Ausgangsspannungen zur Erzeugung der Positionssignale vorgesehen sind.
Einrichtung nach Anspruch 40, beider die Sonden (A, B) mit aufeinander folgenden beschichteten Elektroden ausgebildet sind, die einen Stapel von benachbarten Mehrfachsonden ausbilden.