DE10115690A1

DE10115690A1 - Quasi-Paralleles Rasterkraftmikroskop

Info

Publication number: DE10115690A1
Application number: DE10115690A
Authority: DE
Inventors: Christoph Hagleitner; Dirk Lange; Martin Zimmermann
Original assignee: Eidgenoessische Technische Hochschule Zurich ETHZ
Current assignee: Eidgenoessische Technische Hochschule Zurich ETHZ
Priority date: 2001-03-29
Filing date: 2001-03-29
Publication date: 2002-10-10
Also published as: WO2002080187A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein System zur Rastersondenmikroskopie (Scanning Probe Microscopy) und verwandter Verfahren wie der Rasterkraftmikroskopie (Atomic Force Microscopy) und anderer und betrifft einen Systemaufbau mit mehreren vorzugsweise parallel angeordneten Tastköpfen oder Sonden, die auf jeweils einem Biegebalken oder Cantilever angeordnet sind. Eine Anordnung von mehreren Biegebalken, jeweils mit zugeordnetem Aktor und Detektor, werden in einem Multiplex-verfahren in der Weise angesteuert, dass der jeweils ausgewählte Biegebalken angesteuert und vom Detektor sein Signal ausgelesen und ggf. verarbeitet wird, während die übrigen Biegebalken selektiv über ihre Aktoren mittels gespeicherten Signalen konstant gehalten werden.

Description

Anwendungsgebiet

Die Erfindung bezieht sich auf ein System zur Rasterkraftmikroskopie (Atomic Force Micros copy AFM) und verwandter Verfahren (Rastersondenmikroskopie, Scanning Probe Microscopy SPM). Gegenstand ist ein Systemaufbau, mit dem mehrere Tastköpfe in einem sogenannten Ar ray eine Probe in quasi-parallelem Betrieb rastern oder beschreiben kann.

Stand der Technik, Nachteile des Stands der Technik

Rasterkraftmikroskopie ist ein 1986 entwickeltes Verfahren zur Analyse und Manipulation von Oberflächen im Nanometerbereich. Dabei fährt ein Tastkopf über eine Oberfläche hinweg und zeichnet ein Bild der Topographie oder einer anderen Oberflächeneigenschaft auf, oder mani puliert die Oberflächeneigenschaft der Probe. Als Tastköpfe werden Biegebalken eingesetzt, die mikrotechnisch hergestellt werden. Durch die Wechselwirkungskraft zwischen der Balken spitze und der Probe wird der Balken ausgelenkt. Diese Auslenkung wird mittels einem inte grierten oder externen Sensorsystem gemessen. Beim Betrieb eines Biegebalkens als Tastkopf im sogenannten Constant-Force-Mode wird die Auslenkung des Balkens mittels eines Aktors so geregelt, dass die Kraft zwischen der Balkenspitze und der Probe konstant bleibt. Die einge stellte Auslenkung des Balkens stellt ein Mass für die Oberflächentopographie dar. Darüber hinaus wird im dynamischen Betrieb der Balken in Schwingung versetzt und die Schwingungs amplitude gemessen. Kommt der Balken in Kontakt mit der Probe verringert sich diese. Mit ei nem Regler kann nun der Balken zusätzlich so ausgelenkt werden, dass beim Rastern der Probenoberfläche die Amplitude konstant bleibt.

Um den Durchsatz der Rastersysteme zu vergrössern, werden Arrays von Balken eingesetzt. Quate et al. (S. C. Minne, J. D. Adams, G. Yaralioglu, S. R. Manalis, A. Atalar, and C. F. Quate, "Centimeter scale atomic force microscope imaging and lithography", Appl. Phys. Lett., vol. 73, pp. 1742-1744, 1998) präsentieren ein Array von 50 Balken. Diese rastern die Oberfläche gleichzeitig und können daher eine grössere Fläche abdecken. Die Balken haben integrierte pie zoelektrische Aktoren um Verbiegungen des Balkens zu erzeugen und piezoresistive Sensoren um die Auslenkungen zu detektieren. Um auf konstante Kraft zu regeln wird jedem Balken ein eigener individueller Regelkreis zugeordnet. Bei einer grossen Anzahl Balken führt dies jedoch zu einem hohen Systemaufwand und enormer Komplexität.

Despont et al. (M. Despont, J. Brugger, U. Drechsler; U. Durig, W. Haberle, M. Lutwyche, H. Rothuizen, R. Stutz, R. Widmer, G. Binnig, H. Rohrer, P. Vettiger, "VLSI-NEMS chip for par allel AFM data storage", Sensors and Actuators A 80, pp. 100-107, 2000) stellen ein System vor, in dem 32 × 32 Biegebalken zum Schreiben und Auslesen von Gruben auf einem Substrat be nutzt werden. Dieses System ist für Datenspeicherung ausgelegt. Das System hat jedoch keine Regelung der Auslenkung der Biegebalken.

Lange et al. (D. Lange, T. Akiyama, C. Hagleitner, A. Tonin, H. R. Hidber, P. Niedermann, U. Staufer, N. F. de Rooij, O. Brand, and H. Baltes, "Parallel scanning AFM with on-chip circuitry in CMOS technology", Proc. IEEE MEMS '99, pp. 447-453, 1999) berichten über ein System, mit dem mit einem Array von Biegebalken eine Oberfläche abgetastet wird. Dabei wird jedoch nicht die Auslenkung der Balken geregelt.

Aufgabe der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, die Regelung oder Steuerung einer Mehrzahl von Tastköpfen mit einer Anzahl Regel- oder Steuerkreisen zu ermöglichen, die unter der Anzahl der Tastköpfe liegt.

Der Vorteil des Systems liegt in der verringerten Anzahl von Systemblöcken, was die Grösse und Komplexität des Systems stark reduziert.

Dabei wird durch das Konstanthalten der Balkenauslenkung die Ausregelzeit niedrig gehalten und ein Beschädigen der Probe durch ein Verfahren des Balkens verhindert. Diese Aufgabe wird durch das System in den Ansprüchen 1-13 erreicht.

Vorteile der Erfindung

Beim Rastern oder Beschreiben einer Oberfläche mit einem Array von Tast- oder Schreibköp fen kann auf die Schaffung einer individuellen Steuer- bzw. Regeleinheit verzichtet werden. Dies verringert den Systemaufwand. Ausserdem ist durch die Erfindung gewährleistet, dass alle Köpfe in der gewünschten Position verharren, auch wenn sie während der passiven Phase nicht an den Regler angeschlossen sind. Damit wird ein Beschädigen der Probe durch die Köpfe auf grund unkontrollierter Bewegung verhindert.

Ausführungsbeschreibung

Anhand eines integrierten AFM von zehn Tastköpfen in Gestalt von Biegebalken wird die Er findung genauer erklärt. Die Originalität der Erfindung hängt jedoch von der Realisierung der Aktoren und Detektoren ab. Ein Photo eines integrierten AFM-Arrays ist in Fig. 1 dargestellt, ein Blockdiagramm in Fig. 2.

Jeder Biegebalken ist ausgestattet mit einem thermischen Aktor und einer piezoresistiven Wheatstone-Brücke. Der thermische Aktor dient zur Verbiegung des Balkens mittels thermi schem Bimorph-Effekt. Er besteht aus einem Heizwiderstand, der mit Materialien verschiede nen thermischen Ausdehnungskoeffizienten bedeckt ist. Mit der piezoresistiven Wheatstone- Brücke wird der mechanische Stress im Balken aufgrund einer Kraft zwischen Probe und Bal ken gemessen. Als Ergebnis erhält man ein Ausgangssignal, welches ein Merkmal für die Wechselwirkungskraft darstellt. Beim Biegebalken wird im folgenden zwischen einer aktiven und passiven Phase unterschieden, der Balken selbst wird als aktiv oder passiv bezeichnet. Ziel ist es, die Auslenkung der Balken so zu steuern, dass die Kraft auf die Balken konstant bleibt. Die zehn Biegebalken sind über eine Multiplex-Schaltung an eine Regelschaltung ange schlossen. Mit dem Multiplexer wird der Biegebalken (z. B. K1, siehe Fig. 3) ausgewählt, des sen Krafteinwirkung gemessen und dessen Auslenkung so gesteuert wird, dass diese Kraft konstant bleibt. Dieser Balken ist dann aktiv, die anderen Balken passiv. Das Ausgangssignal von der Wheatstone-Brücke wird nach Durchlaufen des Multiplexers an einen Regler gegeben. Dieser ermittelt die Regeldifferenz und gibt ein entsprechendes Signal an den thermischen Ak tor zur Kompensation der Regeldifferenz weiter. Dazu passiert das Signal einen Multiplexer auf der Eingangsseite des Balkenmoduls. Das Signal erreicht ein Sample mit Treiber. Dessen Ausgangssignal schliesslich erreicht den thermischen Aktor. Während der Biegebalken aktiv ist, schwingt sich der Regelkreis ein, und der Sollwert der Auslenkung wird erreicht. Durch Weiterschalten des Multiplexers wird danach der nächste Balken K2 aus dem Array ak tiv, der vorherige Balken wird passiv. Mit dem nächsten Balken wird der obige Vorgang durch geführt. Der Regler ist dabei der selbe, der schon zuvor benutzt wurde. Beim nun passiven, vorher aktiven Balken bleibt durch das Sample der Wert des Signals an den Aktor gespeichert. Somit behält der Balken K1 seine Auslenkung während der passiven Phase. Wenn er wieder aktiv ist, muss nur die Differenz der Kraft zwischen der letzten aktiven Phase und der jetzigen geregelt werden, was die Ausregelzeit drastisch verkürzt. Der nun aktive Balken K2 durchläuft den gleichen Prozess wie zuvor K1.

Mit dem Array der Biegebalken wird eine Probe gerastert. Während des Abfahrens der Ober fläche mit dem Array werden die Kräfte auf die Balken in schneller Reihenfolge geregelt. Als Ergebnis erhält man ein Constant-Force-Mode Bild von der Probenoberfläche aufgenommen mit allen zehn Balken.

In einer anderen Ausführung wird nicht die Kraftwirkung der Balken geregelt, sondern nur ein beliebiges Steuersignal an den Aktor eines Balkens gegeben, (siehe Fig. 4). Dieses kann zur Auslenkung der Balken führen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin einen Stromfluss oder eine Spannung zwischen Probe und Balken zu erzeugen. Der Aktor kann auch ein thermischer, magnetischer oder anders gearteter Aktor sein, der die Probe lokal manipuliert. Das Signal an den Aktor bleibt auch in diesem Fall während der passiven Phase erhalten.

Es können auch mehrere Aktoren in einem Zweig nach dem Speicherelement betrieben werden, wie in Fig. 5 gezeigt.

Claims

1. Elektronisches System für Parallele Rasterkraftmikroskopie bestehend aus:

- einer Anordnung mehrerer Biegebalken, jeweils mit zugeordnetem Aktor, um den Biegebal ken auszulenken, und einem Detektor, der die Auslenkung des Biegebalkens detektiert.
- einem Schalter, mit dem ein oder mehrere Biegebalken aus der Mehrzahl ausgewählt werden, so dass ein Signal von einem externen Schaltkreis an den zugehörigen Aktor angelegt und/oder der Detektor ausgelesen werden kann,
- ein Speicherelement, angebracht vor jedem Aktor, in dem ein von aussen angelegtes Signal an den Aktor gespeichert und so auf konstantem Wert gehalten wird, während ein anderer Biege balken über den Schalter an den externen Schaltkreis angeschlossen ist.

2. Elektronisches System gemäss Anspruch 1, bei dem das Speicherelement aus einem analo gen Sample besteht.

3. Elektronisches System gemäss Anspruch 1, das aus einem digitalen Halteglied besteht.

4. Elektronisches System gemäss Anspruch 1, bei dem das Speicherelement aus einem Regi ster und/oder Zähler besteht.

5. System gemäss Anspruch 1-4, das mehrere Aktoren gleichzeitig ansteuert.

6. System gemäss Anspruch 1 und 2, bei dem die Charge Injection des analogen S Gliedes auf die Art kompensiert wird, dass sich dadurch der Biegebalken in eine bevorzugte Rich tung auslenkt, z. B. in Richtung weg von der Oberfläche der Probe.

7. Schaltungsblock gemäss Anspruch 1, 2, 5 und 6 ist nicht ideal. Da im Haltemoment das Steu ersignal (Ausgangssignal des S Gliedes) langsam vom ursprünglichen Wert wegwandert (leakage currents), kann durch eine geeignete Ueber- oder Unterkompensation der Charge Injection diesem Effekt entgegengewirkt werden.

8. System gemäss Ansprüchen 1-7, bei dem unabhängig vom Vorhandensein eines Detektors an die Aktoren ein Signal angelegt wird, also keine Regelung erfolgt, sondern eine Steue rung.

9. System gemäss Ansprüchen 1-8, bei dem das Signal vom Speicherelement nicht zur Aus lenkung des Balkens mit einem Aktor, sondern für andere Zwecke genutzt wird.

10. System gemäss Ansprüchen 1-8, bei dem zwischen den genannten Komponenten des Systems weitere Komponenten, z. B. Treiberstufen, angebracht sind.

11. System gemäss Ansprüchen 1-10, bei dem anstelle eines Biegebalkens ein anderes mecha nisches oder elektromechanisches Element, z. B. eine Membran, benutzt wird.

12. System gemäss Ansprüchen 1-11, bei dem im die Schwingungsamplitude des Balkens gere gelt wird.

13. System gemäss Ansprüchen 1-12, bei dem die Komponenten Speicher, Biegebalken mit Aktor und Detektor auf einem Silizium-Substrat integriert sind.