WO1998013663A1 - Atomic force microscope probe - Google Patents

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WO1998013663A1
WO1998013663A1 PCT/EP1997/004840 EP9704840W WO9813663A1 WO 1998013663 A1 WO1998013663 A1 WO 1998013663A1 EP 9704840 W EP9704840 W EP 9704840W WO 9813663 A1 WO9813663 A1 WO 9813663A1
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WO
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force microscope
tip
probe
cantilever
shielding electrode
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Application number
PCT/EP1997/004840
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German (de)
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Inventor
Ewald Guenther
Rainer Leuschner
Olaf Ohlsson
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
Nanosensors Dr. Olaf Wolter Gmbh
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Aktiengesellschaft, Nanosensors Dr. Olaf Wolter Gmbh filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01QSCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q60/00Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
    • G01Q60/24AFM [Atomic Force Microscopy] or apparatus therefor, e.g. AFM probes
    • G01Q60/38Probes, their manufacture, or their related instrumentation, e.g. holders
    • G01Q60/40Conductive probes
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01QSCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q70/00General aspects of SPM probes, their manufacture or their related instrumentation, insofar as they are not specially adapted to a single SPM technique covered by group G01Q60/00
    • G01Q70/02Probe holders
    • G01Q70/04Probe holders with compensation for temperature or vibration induced errors

Definitions

  • the invention relates to a force microscope probe with an electrically conductive spring beam and an electrically conductive probe tip.
  • X-ray lithography offers the possibility of producing such small structures, with which - due to the shorter wavelength - dimensions below 100 nm can be imaged. However, this results in problems with the required masks and with the positioning. This is not the case with electron and ion beam lithography. Since these are direct-writing methods, they do not require masks. In electron and ion beam lithography, structures down to 10 nm can be produced with high-energy particles. However, complex vacuum systems and beam guidance systems are required for this. In addition, there are problems due to electron scattering, which in some cases lead to radiation damage in the substrate.
  • STM Scanning Tunneling Microscopy
  • SFM Scanning Force Microscopy
  • a probe that has a tip with a radius of curvature of 10 to 100 nm is passed over the sample surface.
  • This tip is located at the end of a rectangular or triangular cantilever that is a few hundred micrometers long and approx. 0.5 to 2 ⁇ m thick.
  • Repulsive or attractive forces between specimen and tip bend the cantilevers accordingly.
  • the bending of the cantilever is measured using optical or other methods and allows the shape of the sample surface to be recorded on a nanometer scale.
  • the probe tip is used as a source for highly localized, low-energy electrons in order to expose resist materials - similar to electron beam lithography.
  • Beam guidance and focusing systems are not required due to the near field.
  • work can be carried out under ambient conditions, so that complex vacuum systems are not required.
  • there are none Radiation damage is to be expected because the electron energy is too low for this.
  • the electron-sensitive lacquer is applied to a conductive substrate and an electrical voltage is applied between the substrate and a conductive force microscope probe. Electrons then flow between the probe tip and the substrate and cause chemical reactions. This creates a latent image, which is transformed into real structures in a subsequent development step.
  • the thin insulating resist layer (dielectric) is located between the conductive force microscope probe and the conductive substrate.
  • This arrangement thus represents an electrical capacitor which is charged by the application of an electrical voltage, in the present case the exposure voltage.
  • the charge leads to an electrostatic attraction between the force microscope probe and the substrate, which significantly increases the contact force of the tip on the lacquer. Without applied voltage, the contact force is determined by the much smaller forces that result from the elastic bending of the cantilever.
  • the surface hardness of the lacquer is high enough to prevent the tip from penetrating due to the elastic forces. However, the much higher electrostatic forces cause the tip to penetrate the entire paint layer.
  • the object of the invention is to design a force microscope probe of the type mentioned at the outset, which has a spring bar and a probe tip, in such a way that the electrostatic forces which occur during operation are largely eliminated.
  • this is intended to prevent the resist layer from being mechanically damaged during the exposure by the movement of the probe tip when structuring resist layers by means of scanning force microscopy.
  • the spring bar is provided with a shielding electrode and that an electrically insulating layer is arranged between the shielding electrode and the spring bar.
  • a force microscopy sensor of the usual type consists of a cantilever with an integrated tip at the end.
  • both elements, the spring bar and the tip are usually conductive and thus generate electrostatic forces.
  • the force contributions from the cantilever and tip are to be estimated below.
  • the length and width of the cantilever are relatively large compared to the working distance between the cantilever and the conductive sample surface, so that this arrangement can be regarded as a plate capacitor to a good approximation.
  • the distance d is equal to the sum of the height of the tip (approx. Approx.
  • F ⁇ i ⁇ tat ⁇ ⁇ o ⁇ U 2 tan 2 ( ⁇ ) - [ln (l + R / s-tan ( ⁇ )) -R / s-tan ( ⁇ ) + R].
  • the opening angle is approx. 35 ° and thus the radius R approx. 4 ⁇ m. This results in the electrostatic attraction caused by the tip
  • the principle of the shielding electrode integrated in the force microscope probe can be implemented in various ways. It is essential that the working electrode, which brings about the current supply to the tip, is electrically separated from the shielding electrode. Either the silicon of the cantilever and tip itself or a metal layer can be used as the working electrode, especially if the cantilever and tip are made of silicon nitride.
  • Metals that do not form an insulating oxide layer are used for the working electrode. These are in particular precious metals such as gold, platinum and palladium. It is also advantageous to use an amorphous carbon-containing layer (great hardness and sufficient electrical conductivity), as is proposed in German published patent application DE 195 26 775 AI as a coating for atomic force microscopy probes and scanning tunneling microscopy tips.
  • the electrically insulating layer which advantageously consists of silicon dioxide or of materials such as polyimide, polybenzoxazole, benzocyclobutene and organic spin-on glasses, advantageously has a layer thickness of> 50 nm, preferably> 500 nm given sufficient dielectric strength. If a layer of one of the materials mentioned is used for electrical insulation, there is a metal layer between this layer and the spring bar as the working electrode. Preferred embodiments of the force microscope probe according to the invention are described in more detail below.
  • the insulation layer is produced by oxidation of the silicon.
  • a thin metal layer for example made of chrome, is then deposited on this oxide layer as a shielding electrode.
  • the Si tip is freed of metal and oxide.
  • the working electrode is made of metal
  • this metallic working electrode is first applied to the probe.
  • the cantilever and tip can either be coated over the entire surface or a narrow stripline is structured.
  • the stripline has the advantage that stray fields are also shielded by the significantly larger shielding electrode.
  • the metallic working electrode is then provided with an insulation layer, for example made of polyimide or polybenzoxazole.
  • the metallic shielding electrode is then applied and the probe tip is then exposed.
  • the shielding electrode - with the appropriate geometry - completely eliminates the force contribution of the cantilever. Only the much smaller portion of the tip remains.

Abstract

In an atomic force microscope probe with an electroconducting spring-mounted stylus and an electroconducting probe point, the spring-mounted stylus is provided with a shielding electrode and an electrically insulating layer is arranged between the shielding electrode and the spring-mounted stylus. Electrostatic forces produced during operation may thus be eliminated.

Description

Beschreibung description
KraftmikroskopiesondeForce microscopy probe
Die Erfindung betrifft eine Kraftmikroskopiesonde mit einem elektrisch leitfähigen Federbalken und einer elektrisch leitfähigen Sondenspitze.The invention relates to a force microscope probe with an electrically conductive spring beam and an electrically conductive probe tip.
In der Halbleitertechnologie und in der Mikroelektronik wer- den die Strukturabmessungen immer kleiner. Bei der Speicherproduktion werden heutzutage Strukturen mit einer Breite von weniger als 400 nm erzeugt; hierbei wird die optische Lithographie in Verbindung mit der Maskentechnik eingesetzt. Aufgrund von Beugungseffekten ist bei der optischen Lithographie bei ca. 150 nm eine Grenze zu erwarten. Für neuartige Anwendungen, wie Ein-Elektron-Transistoren oder molekularelektronische Bauelemente, sind aber Strukturen mit noch geringeren Abmessungen erforderlich. Dies gilt im Falle sehr hoher Integrationsdichten auch für die konventionelle Elektronik.In semiconductor technology and in microelectronics, the structural dimensions are getting smaller and smaller. Structures with a width of less than 400 nm are produced today in memory production; optical lithography is used in conjunction with mask technology. Due to diffraction effects, a limit can be expected in optical lithography at approx. 150 nm. For novel applications, such as one-electron transistors or molecular electronic components, structures with even smaller dimensions are required. In the case of very high integration densities, this also applies to conventional electronics.
Möglichkeiten zur Erzeugung derartig kleiner Strukturen bietet die Röntgenlithographie, mit der - aufgrund der kürzeren Wellenlänge - auch Abmessungen unter 100 nm abgebildet werden können. Hierbei ergeben sich aber Probleme bei den erforder- liehen Masken und bei der Positionierung. Dies ist bei der Elektronen- und lonenstrahllithographie nicht der Fall. Da dies direkt-schreibende Methoden sind, benötigen sie nämlich keine Masken. Bei der Elektronen- und lonenstrahllithographie können mit hochenergetischen Teilchen Strukturen bis hinab zu 10 nm erzeugt werden. Hierzu sind aber aufwendige Vakuumanlagen und StrahlführungsSysteme erforderlich. Außerdem treten Probleme durch die Elektronenstreuung auf, die in manchen Fällen zu Strahlenschäden im Substrat führen. Eine neuartige Möglichkeit der Strukturierung bieten die Rasternahfeldtechniken, insbesondere die Rastertunnelmikroskopie (STM = Scanning Tunneling Microscopy) und die Raster- kraft ikroskopie (SFM = Scanning Force Microscopy) . Bei allen Rasternahfeldtechniken wird eine feine, spitze Sonde in konstant gehaltenem Abstand über die Probenoberfläche bewegt und auf diese Weise die Topographie abgetastet . Zur Abstandsregulierung dienen dabei Wechselwirkungen zwischen der Probenoberfläche und der Sondenspitze. Zusätzlich zur reinen Abbil- düng kann die Probenoberfläche aber auch mit einer entsprechenden Nahfeldsonde durch mechanische, elektronische, chemische und optische Effekte modifiziert werden. Dabei ist keine Fokussierung erforderlich, weil in der unmittelbaren Umgebung der Sonde nur Form und Größe der Sondenspitze für die Abmes- sungen der erzeugten Strukturen wichtig sind.X-ray lithography offers the possibility of producing such small structures, with which - due to the shorter wavelength - dimensions below 100 nm can be imaged. However, this results in problems with the required masks and with the positioning. This is not the case with electron and ion beam lithography. Since these are direct-writing methods, they do not require masks. In electron and ion beam lithography, structures down to 10 nm can be produced with high-energy particles. However, complex vacuum systems and beam guidance systems are required for this. In addition, there are problems due to electron scattering, which in some cases lead to radiation damage in the substrate. A new type of structuring is offered by scanning near-field techniques, in particular scanning tunneling microscopy (STM = Scanning Tunneling Microscopy) and scanning force microscopy (SFM = Scanning Force Microscopy). With all scanning near-field techniques, a fine, pointed probe is moved at a constant distance over the sample surface and the topography is scanned in this way. Interactions between the sample surface and the probe tip serve to regulate the distance. In addition to pure imaging, the sample surface can also be modified with an appropriate near-field probe using mechanical, electronic, chemical and optical effects. No focusing is required, because in the immediate vicinity of the probe only the shape and size of the probe tip are important for the dimensions of the structures produced.
Bei der Rasterkraftmikroskopie wird eine Sonde, die eine Spitze mit einem Krümmungsradius von 10 bis 100 nm aufweist, über die Probenoberfläche geführt. Diese Spitze befindet sich am Ende eines wenige hundert Mikrometer langen und ca. 0,5 bis 2 μm dicken rechteckigen oder dreieckigen Federbalkens. Repulsive oder attraktive Kräfte zwischen Probe und Spitze verbiegen den Federbalken entsprechend. Die Verbiegung des Federbalkens wird mit optischen oder anderen Methoden ge es- sen und erlaubt es, die Gestalt der Probenoberfläche im Nano- meter-Maßstab aufzunehmen.In atomic force microscopy, a probe that has a tip with a radius of curvature of 10 to 100 nm is passed over the sample surface. This tip is located at the end of a rectangular or triangular cantilever that is a few hundred micrometers long and approx. 0.5 to 2 μm thick. Repulsive or attractive forces between specimen and tip bend the cantilevers accordingly. The bending of the cantilever is measured using optical or other methods and allows the shape of the sample surface to be recorded on a nanometer scale.
Zur Strukturierung von Oberflächen wird die Sondenspitze als Quelle für stark lokalisierte, niederenergetische Elektronen verwendet, um so - ähnlich wie in der Elektronenstrahllitho- graphie - Resistmaterialien zu belichten. Strahlführungs- und FokussierungsSysteme sind dabei - aufgrund des Nahfeldes - nicht erforderlich. Im Gegensatz zur Elektronenstrahllitho- graphie kann unter Umgebungsbedingungen gearbeitet werden, so daß aufwendige Vakuumanlagen entfallen. Außerdem sind keine Strahlenschäden zu erwarten, weil dafür die Elektronenenergie zu gering ist .For the structuring of surfaces, the probe tip is used as a source for highly localized, low-energy electrons in order to expose resist materials - similar to electron beam lithography. Beam guidance and focusing systems are not required due to the near field. In contrast to electron beam lithography, work can be carried out under ambient conditions, so that complex vacuum systems are not required. Besides, there are none Radiation damage is to be expected because the electron energy is too low for this.
Zur Belichtung wird der elektronenempfindliche Lack auf ein leitfähiges Substrat aufgebracht und zwischen dem Substrat und einer leitfähigen Kraftmikroskopiesonde eine elektrische Spannung angelegt. Zwischen Sondenspitze und Substrat fließen dann Elektronen und bewirken chemische Reaktionen. Auf diese Weise entsteht ein latentes Bild, das in einem nachfolgenden Entwicklungsschritt in echte Strukturen umgewandelt wird.For exposure, the electron-sensitive lacquer is applied to a conductive substrate and an electrical voltage is applied between the substrate and a conductive force microscope probe. Electrons then flow between the probe tip and the substrate and cause chemical reactions. This creates a latent image, which is transformed into real structures in a subsequent development step.
Zwischen der leitfähigen Kraftmikroskopiesonde und dem leit- fähigen Substrat befindet sich die dünne isolierende Resist- schicht (Dielektrikum) . Diese Anordnung stellt somit einen elektrischen Kondensator dar, der durch das Anlegen einer elektrischen Spannung, im vorliegenden Fall die Belichtungsspannung, aufgeladen wird. Die Aufladung führt zu einer elektrostatischen Anziehung zwischen Kraftmikroskopiesonde und Substrat, welche die Auflagekraft der Spitze auf dem Lack wesentlich erhöht. Ohne angelegte Spannung wird die Auflage- kraft von den wesentlich kleineren Kräften, die aus der elastischen Verbiegung des Federbalkens resultieren, bestimmt. Die Oberflächenhärte des Lackes ist hierbei ausreichend hoch, um das Eindringen der Spitze - aufgrund der elastischen Kräfte - zu verhindern. Die wesentlich höheren elektrostatischen Kräfte bewirken jedoch, daß die Spitze die gesamte Lackschicht durchdringt .The thin insulating resist layer (dielectric) is located between the conductive force microscope probe and the conductive substrate. This arrangement thus represents an electrical capacitor which is charged by the application of an electrical voltage, in the present case the exposure voltage. The charge leads to an electrostatic attraction between the force microscope probe and the substrate, which significantly increases the contact force of the tip on the lacquer. Without applied voltage, the contact force is determined by the much smaller forces that result from the elastic bending of the cantilever. The surface hardness of the lacquer is high enough to prevent the tip from penetrating due to the elastic forces. However, the much higher electrostatic forces cause the tip to penetrate the entire paint layer.
Ober mechanische Schädigungen von Resistmaterialien, die durch elektrostatische Kräfte verursacht werden, bzw. über notwendige Eliminierungsmaßnahmen wurde bislang noch nicht berichtet. Dafür dürften im wesentlichen zwei Gründe ausschlaggebend sein:No mechanical damage to resist materials caused by electrostatic forces or necessary elimination measures has been reported to date. There are two main reasons for this:
- Bisher wurde bei Belichtungsexperimenten mit dem Raster- kraftmikroskop als Resistmaterial im allgemeinen Poly- methyl ethacrylat (PMMA) eingesetzt. Neuerdings werden aber bevorzugt sogenannte CARL-Lacke eingesetzt (CARL = Chemical Amplification of Resist Lines) , und zwar aus folgenden Gründen. PMMA besitzt im Gegensatz zu CARL-Lacken zwar eine wesentlich höhere Oberflächenhärte, gravierende Nachteile von PMMA gegenüber den CARL-Lacken sind aber die deutlich geringere Empfindlichkeit und die fehlende Möglichkeit zur chemischen Verstärkung nach der Entwicklung. - Es wurden bisher nur relativ dünne PMMA-Schichten einge- setzt (20 bis 25 nm) . Die für solche Schichtdicken notwendigen Belichtungsspannungen sind aber mit ca. 20 V relativ klein. Da die elektrostatischen Kräfte von der angelegten Spannung quadratisch abhängig sind, sind für derart niedrige Spannungen noch keine mechanischen Schädigungen an harten Lacken zu erwarten.- Up to now, exposure experiments using the atomic force microscope as a resist material have generally methyl ethacrylate (PMMA) used. Recently, however, so-called CARL coatings (CARL = Chemical Amplification of Resist Lines) have been used for the following reasons. In contrast to CARL varnishes, PMMA has a significantly higher surface hardness, but serious disadvantages of PMMA compared to CARL varnishes are the significantly lower sensitivity and the lack of the possibility of chemical reinforcement after development. - So far, only relatively thin PMMA layers (20 to 25 nm) have been used. However, the exposure voltages required for such layer thicknesses are relatively small at around 20 V. Since the electrostatic forces are quadratically dependent on the voltage applied, no mechanical damage to hard paints can be expected for such low voltages.
Auch bei anderen Anwendungen der Kraftmikroskopie, beispielsweise bei der Messung von Potentialverteilungen auf Oberflächen, bei der elektrischen Charakterisierung dünner dielek- frischer Schichten (ca. 2 bis 50 nm) durch lokale Tunnelstrommessungen und bei lokalen Kapazitätsmessungen, ist das Anlegen einer elektrischen Spannung an die leitfähige SFM- Sonde erforderlich. Hierbei wirken sich die elektrostatischen Kräfte ebenfalls störend auf die Empfindlichkeit und die Auf- lösung aus.In other applications of force microscopy, for example in the measurement of potential distributions on surfaces, in the electrical characterization of thin dielectric layers (approx. 2 to 50 nm) by local tunnel current measurements and in local capacitance measurements, the application of an electrical voltage to the conductive is SFM probe required. Here, the electrostatic forces also have a negative effect on the sensitivity and the resolution.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine - einen Federbalken und eine Sondenspitze aufweisende - Kraftmikroskopiesonde der eingangs genannten Art in der Weise auszugestalten, daß die im Betrieb auftretenden elektrostatischen Kräfte weitgehend eliminiert werden. Dadurch soll insbesondere verhindert werden, daß bei der Strukturierung von Resiεtschichten mittels Rasterkraf mikroskopie die Resistschicht während der Belichtung durch die Bewegung der Sondenspitze mechanisch geschädigt wird. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Federbalken mit einer Abschirmelektrode versehen ist, und daß zwischen Abschirmelektrode und Federbalken eine elektrisch isolierende Schicht angeordnet ist.The object of the invention is to design a force microscope probe of the type mentioned at the outset, which has a spring bar and a probe tip, in such a way that the electrostatic forces which occur during operation are largely eliminated. In particular, this is intended to prevent the resist layer from being mechanically damaged during the exposure by the movement of the probe tip when structuring resist layers by means of scanning force microscopy. This is achieved according to the invention in that the spring bar is provided with a shielding electrode and that an electrically insulating layer is arranged between the shielding electrode and the spring bar.
Ein Kraftmikroskopiesensor der üblichen Bauart besteht aus einem Federbalken mit einer am Ende integrierten Spitze. Für diese Art von Rastersondenlithographie sind üblicherweise beide Elemente, Federbalken und Spitze, leitfähig und er- zeugen damit elektrostatische Kräfte. Die Kraftbeiträge von Federbalken und Spitze sollen im folgenden abgeschätzt werden.A force microscopy sensor of the usual type consists of a cantilever with an integrated tip at the end. For this type of scanning probe lithography, both elements, the spring bar and the tip, are usually conductive and thus generate electrostatic forces. The force contributions from the cantilever and tip are to be estimated below.
Länge und Breite des Federbalkens sind relativ groß im Ver- gleich zum Arbeitsabstand zwischen Federbalken und leit- fähiger Probenoberfläche, so daß diese Anordnung in guter Näherung als Plattenkondensator betrachtet werden kann. Für die elektrostatische Anziehungskraft Feιstat zwischen zwei Kondensatorplatten mit der Fläche A, die parallel zueinander im Abstand d stehen und an denen eine Spannung U anliegt, gilt:The length and width of the cantilever are relatively large compared to the working distance between the cantilever and the conductive sample surface, so that this arrangement can be regarded as a plate capacitor to a good approximation. The following applies to the electrostatic attraction force F e ι st at between two capacitor plates with the area A, which are parallel to one another at a distance d and to which a voltage U is applied.
FeιεtaC = 1 /2 ε0 ε A (u/d) 2 .F e ι ε ta C = 1/2 ε 0 ε A (u / d) 2 .
Dabei ist εo die Influenzkonstante und ε die Dielekrizitäts- konstante des umgebenden Materials, das hier im wesentlichen Luft ist; ε = 1 stellt somit eine sehr gute Näherung dar. Für einen rechteckigen Federbalken mit einer Breite von 50 um und einer Länge von 450 um beträgt die Fläche A = 0,0225 mm2. Der Abstand d ist bei parallel zur Probenoberfläche justiertem Federbalken gleich der Summe aus der Höhe der Spitze (ca.Here εo is the constant of influence and ε is the dielectric constant of the surrounding material, which here is essentially air; ε = 1 is therefore a very good approximation. For a rectangular cantilever with a width of 50 µm and a length of 450 µm, the area is A = 0.0225 mm 2 . The distance d is equal to the sum of the height of the tip (approx. Approx.
12 um) und der Schichtdicke des Resistmaterials (ca. 50 nm) . Typischerweise ist der Federbalken leicht (= 15°) in Richtung Spitze geneigt, so daß der mittlere Abstand etwas größer als 12 μm ist und damit die erzeugten Kräfte etwas geringer sind als die bei den angegebenen Werten resultierende Kraft12 µm) and the layer thickness of the resist material (approx. 50 nm). Typically, the cantilever is slightly inclined (= 15 °) towards the tip, so that the average distance is slightly larger than Is 12 μm and thus the forces generated are slightly less than the force resulting from the specified values
Fβiacat = 0 , 7-U2 [ nN/V2 ] .Fβiacat = 0, 7-U 2 [nN / V 2 ].
Für die durch die Spitze bewirkte elektrostatische Anziehung ist eine einfache Abschätzung wegen der Kegelgeometrie nicht möglich. Die Zerlegung des Kegels in kleine konzentrische Kreise, die als Plattenkondensatoren mit jeweils konstantem Abstand zur Probenoberfläche aufgefaßt werden können, erlaubt aber eine grobe Abschätzung der Kräfte. Die Integration über den gesamten Kegel mit Radius R und halbem Öffnungswinkel α ergibt dann:For the electrostatic attraction caused by the tip, a simple estimate due to the cone geometry is not possible. The decomposition of the cone into small concentric circles, which can be interpreted as plate capacitors with a constant distance from the sample surface, allows a rough estimate of the forces. The integration over the entire cone with radius R and half the opening angle α then results in:
Fβiεtat = π εo ε U2 tan2 ( α) - [ ln ( l+R/ s-tan ( α) ) -R/ s-tan ( α) +R] .Fβiεtat = π εo ε U 2 tan 2 (α) - [ln (l + R / s-tan (α)) -R / s-tan (α) + R].
Dabei ist s der Abstand der Kegelspitze von der Probenoberfläche, d.h. die Resistdicke von = 50 nm. Bei den verwendeten Spitzen beträgt der Öffnungswinkel ca. 35° und somit der Radius R ca. 4 μm. Damit ergibt sich die von der Spitze bewirkte elektrostatische Anziehung zuS is the distance of the cone tip from the sample surface, i.e. the resist thickness of = 50 nm. With the tips used, the opening angle is approx. 35 ° and thus the radius R approx. 4 μm. This results in the electrostatic attraction caused by the tip
Feistat = 0,004-U2[nN/V2] .Feistat = 0.004-U 2 [nN / V 2 ].
Diese grobe Abschätzung ergibt, daß die von der Spitze verursachten Anziehungskräfte deutlich (= Faktor 100) geringer sind als diejenigen des Federbalkens. Der Kraftbeitrag der Spitze wird durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen nicht eliminiert . Die Wirksamkeit dieser Maßnahmen ist somit nur dann gewährleistet, wenn der Kraftbeitrag des Federbalkenε um mindestens zwei Größenordnungen reduziert wird. Dies wird aber durch die Abschirmelektrode erreicht. Die Materialauswahl für die Abschirmelektrode ist relativ unkritisch. Praktisch kommen alle Metalle in Betracht, die haftfähig und abscheidbar sind. Dies sind beispielsweise Chrom, Aluminium, Titan, Nickel und Gold.This rough estimate shows that the attractive forces caused by the tip are significantly (= factor 100) lower than those of the cantilever. The power contribution of the tip is not eliminated by the measures according to the invention. The effectiveness of these measures is only guaranteed if the force contribution of the spring beam is reduced by at least two orders of magnitude. However, this is achieved by the shielding electrode. The choice of material for the shielding electrode is relatively uncritical. Practically all metals are considered that are adhesive and can be deposited. These are, for example, chrome, aluminum, titanium, nickel and gold.
Das Prinzip der in die Kraftmikroskopiesonde integrierten Abschirmelektrode kann in verschiedener Weise realisiert werden. Wesentlich ist, daß die Arbeitselektrode, welche die Stromzuführung zur Spitze bewirkt, von der Abschirmelektrode elektrisch getrennt ist. Als Arbeitselektrode kann entweder das Silicium von Federbalken und Spitze selbst verwendet werden oder aber eine Metallschicht, und zwar insbesondere dann, wenn Federbalken und Spitze aus Siliciumnitrid bestehen.The principle of the shielding electrode integrated in the force microscope probe can be implemented in various ways. It is essential that the working electrode, which brings about the current supply to the tip, is electrically separated from the shielding electrode. Either the silicon of the cantilever and tip itself or a metal layer can be used as the working electrode, especially if the cantilever and tip are made of silicon nitride.
Für die Arbeitεelektrode werden Metalle eingesetzt, die keine isolierende Oxidschicht ausbilden. Dies sind insbesondere Edelmetalle, wie Gold, Platin und Palladium. Vorteilhaft ist auch die Verwendung einer amorphen kohlenstoffhaltigen Schicht (großer Härte und ausreichender elektrischer Leitfähigkeit), wie sie in der deutschen Offenlegungsschrift DE 195 26 775 AI als Beschichtung für Rasterkraftmikroεkopie- Sonden und Rastertunnelmikroskopie-Spitzen vorgeschlagen wird.Metals that do not form an insulating oxide layer are used for the working electrode. These are in particular precious metals such as gold, platinum and palladium. It is also advantageous to use an amorphous carbon-containing layer (great hardness and sufficient electrical conductivity), as is proposed in German published patent application DE 195 26 775 AI as a coating for atomic force microscopy probes and scanning tunneling microscopy tips.
Die elektrisch isolierende Schicht, die vorteilhaft aus Sili- ciumdioxid oder aus Materialien wie Polyimid, Polybenzoxazol, Benzocyclobuten und organischen Spin-on-gläsern besteht, weist vorteilhaft eine Schichtdicke > 50 nm auf, vorzugsweise > 500 nm. Dadurch ist bei den verwendeten Spannungen eine ausreichende Durchschlagsfestigkeit gegeben. Dient zur elektrischen Isolierung eine Schicht aus einem der genannten Materialien, so befindet sich zwischen dieser Schicht und dem Federbalken eine Metallschicht als Arbeitselektrode. Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Kraft- mikroskopiesonde nach der Erfindung noch näher beschrieben.The electrically insulating layer, which advantageously consists of silicon dioxide or of materials such as polyimide, polybenzoxazole, benzocyclobutene and organic spin-on glasses, advantageously has a layer thickness of> 50 nm, preferably> 500 nm given sufficient dielectric strength. If a layer of one of the materials mentioned is used for electrical insulation, there is a metal layer between this layer and the spring bar as the working electrode. Preferred embodiments of the force microscope probe according to the invention are described in more detail below.
Dient Silicium (Si) als Arbeitselektrode, so wird die Isolationsschicht durch Oxidation des Siliciums erzeugt. Auf dieser Oxidschicht wird dann eine dünne Metallschicht, beispielsweise aus Chrom, als Abschirmelektrode abgeschieden. In einem nachfolgenden Schritt wird die Si-Spitze noch von Metall und Oxid befreit.If silicon (Si) serves as the working electrode, the insulation layer is produced by oxidation of the silicon. A thin metal layer, for example made of chrome, is then deposited on this oxide layer as a shielding electrode. In a subsequent step, the Si tip is freed of metal and oxide.
Besteht die Arbeitselektrode aus Metall, dann wird zunächst diese metallische Arbeitselektrode auf die Sonde aufgebracht. Dabei können Federbalken und Spitze entweder flächig beschichtet werden oder es wird ein schmaler Streifenleiter strukturiert. Der Streifenleiter bietet den Vorteil, daß durch die deutlich größere Abschirmelektrode auch Streufelder abgeschirmt werden. Die metallische Arbeitselektrode wird dann mit einer Isolationsschicht, beispielsweise aus Polyimid oder Polybenzoxazol, versehen. Nachfolgend wird die metalli- sehe Abschirmelektrode aufgebracht und dann die Sondenspitze freigelegt .If the working electrode is made of metal, then this metallic working electrode is first applied to the probe. The cantilever and tip can either be coated over the entire surface or a narrow stripline is structured. The stripline has the advantage that stray fields are also shielded by the significantly larger shielding electrode. The metallic working electrode is then provided with an insulation layer, for example made of polyimide or polybenzoxazole. The metallic shielding electrode is then applied and the probe tip is then exposed.
In beiden Fällen eliminiert die Abschirmelektrode - bei entsprechender Geometrie - den Kraftbeitrag des Federbalkens vollständig. Nur der wesentlich geringere Anteil der Spitze bleibt bestehen.In both cases, the shielding electrode - with the appropriate geometry - completely eliminates the force contribution of the cantilever. Only the much smaller portion of the tip remains.
Die vorstehend beschriebene Kompensations- bzw. Eliminie- rungsmethode für die elektrostatischen Kräfte ist - über die Lithographie hinaus - auch bei anderen Kraftmikroskopie- Anwendungen einsetzbar. Dies gilt für alle Anwendungen, bei denen an die SFM-Sonde eine Spannung angelegt wird, aber keine elektrostatischen Kräfte auftreten dürfen. The above-described compensation or elimination method for the electrostatic forces can be used - in addition to lithography - in other force microscopy applications. This applies to all applications in which a voltage is applied to the SFM probe, but no electrostatic forces may occur.

Claims

Patentansprüche claims
1. Kraftmikroskopiesonde mit einem elektrisch leitfähigen Federbalken und einer elektrisch leitfähigen Sondenspitze, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Federbalken mit einer Abschirmelektrode versehen ist, und daß zwischen Abschirmelektrode und Federbalken eine elektrisch isolierende Schicht angeordnet ist.1. Force microscope probe with an electrically conductive cantilever and an electrically conductive probe tip, so that the cantilever is provided with a shielding electrode, and that an electrically insulating layer is arranged between the shielding electrode and the cantilever.
2. Kraftmikroskopiesonde nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Abschirmelektrode aus einem haftfähigen, abscheidbaren Metall besteht.2. Force microscope probe according to claim 1, that the shielding electrode consists of an adhesive, separable metal.
3. Kraftmikroskopiesonde nach Anspruch 1 oder 2, d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die elektrisch isolierende Schicht eine Dicke > 50 nm besitzt.3. force microscope probe according to claim 1 or 2, d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the electrically insulating layer has a thickness> 50 nm.
4. Kraftmikroskopiesonde nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die elektrisch isolierende Schicht aus Siliciumdioxid besteht.4. force microscopy probe according to one of claims 1 to 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the electrically insulating layer consists of silicon dioxide.
5. Kraftmikroskopiesonde nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die elektrisch isolierende Schicht aus Polyimid oder Polybenzoxazol besteht, und daß sich zwischen der Polyimid- bzw. Polybenz- oxazolschicht und dem Federbalken eine Metallschicht als Arbeitselektrode befindet.5. force microscope according to one of claims 1 to 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the electrically insulating layer consists of polyimide or polybenzoxazole, and that there is a metal layer between the polyimide or polybenz oxazole layer and the cantilever as a working electrode.
6. Kraftmikroskopiesonde nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Arbeitselektrode ein Streifenleiter ist. 6. force microscope probe according to claim 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the working electrode is a stripline.
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