Eine
ständig
fortschreitende Miniaturisierung elektronischer Bauelemente ist
u.a. durch die Entwicklung nanotechnischer Werkzeuge möglich geworden.
Ein Beispiel für
diese Miniaturisierung stellt der superschnelle Quantencomputer
dar, der binäre Daten
in sogenannten Qubits abspeichert. Dabei handelt es sich um quantenmechanische
Systeme wie z.B. einzelne Kernspins mit den Spinnoriontierungen "up" und "down" , die nach den Regeln
der Quantenmechnik manipuliert werden können. Die Funktionen von Logik-
und Speicherbausteinen für diesen
Zweck werden von einzelnen Dotieratomen bestimmt, die z.B. in einer
gitter- bzw. schachbrettartigen Verteilung und mit Abständen von
z.B. 10 nm bis 20 nm, maximal 100 nm, in der Oberfläche eines z.B.
aus Silizium bestehenden Substrats angeordnet sind.
Zur
lagegenauen Implantation derartiger Teilchen in die Substratoberfläche ist
vor allem eine exakte Positionierung der Teilchen erforderlich.
Außerdem
ist meistens auch ein Nachweis dafür erwünscht, daß die Implantation eines Teilchens
stattgefunden hat. Sobald ein Teilchen implantiert ist, muß der Vorgang
unterbrochen und der Teilchenfluss auf die nächste Position gerichtet werden,
um die Implantation von mehreren Teilchen an derselben Stelle zu
vermeiden. Zur Durchführung
einer solchen Implantation sind Vorrichtungen und Verfahren der
eingangs bezeichneten Gattungen bekannt [z.B. T. Schenkel et al
in "Single ion implantation
for solid state quantum computer development", J. Vac. Sci. Technol. B 20 (6), Nov/Dec
2002, S. 2819 bis 2823], mittels derer ein energiearmer Strahl von
Ionen (z.B. 31Pq+-Ionen)
durch eine Blendenöffnung
hindurch auf eine Substratoberfläche
gerichtet wird. Als Beweis für
die Implantation eines einzelnen Ions wird der bei dessen Aufprall
auf die Substratoberfläche
erzeugte Sekundärelektronenstrom
angesehen. Sobald ein elektrisches, durch die Sekundärelektronenemission verursachtes
Signal erscheint, wird die nächste
Position angesteuert.
Die
bekannte Vorrichtung enthält
als Blende eine dünne
Membran mit einem im wesentlichen zylindrischen Loch, das einen
Durchmesser von z.B. 5 nm bis 30 nm aufweist. Die Membran wird oberhalb der
Substratoberfläche
angeordnet und auf ihrer Unterseite nach Art eines Multipliers (channel
plate detector) ausgebildet. Die Bewegungen des Substrats erfolgen
mit einem Koordinatentisch, der mit Hilfe von Piezoantrieben in
den drei Richtungen x, y und z eines kartesischen Koordinatensystems
bewegt werden kann. Weitere Einzelheiten lassen sich dem genannten,
Dokument J. Vac. Sci. Technol. B. 20 (6) entnehmen, das hiermit
durch Referenz zum Gegenstand der vorliegenden Offenbarung gemacht
wird.
Die
beschriebene Vorrichtung ist für
kommerzielle Implantationen der beschriebenen Art nicht optimal
geeignet. Ein Hauptgrund dafür
besteht darin, daß die
im wesentlichen planparallele Membran bzw. Blende während des
Implantationsvorgangs nicht nahe genug an die Substratoberfläche herangebracht
werden kann. Da nämlich
die Substratoberfläche
vor der Implantation vorzugsweise gitterartig mit aufgedruckten oder
sonstwie aufgebrachten, z.B. 50 nm hohen Linien, Punkten od. dgl.
versehen wird, die als in z-Richtung erstreckte Strukturen eine
permanente Lageerkennung ermöglichen
und zwischen sich Rasterfelder zur Positionierung der Teilchen definieren,
wird dadurch gleichzeitig ein nicht unterschreitbarer Mindestabstand
der Membran zur Substratoberfläche
festgelegt. Außerdem
ermöglicht
ein üblicher
Koordinatentisch nicht die Erkennung derartiger Strukturen, so daß hierfür entweder
zusätzliche Mittel
vorgesehen werden oder auf die Vorteile derartiger Positionierungshilfen
verzichtet werden muß. Schließlich würde auch
ein an der Membran montierter, eine vergleichsweise große räumliche
Ausdehnung aufweisender Detektor eine beliebige Annäherung der
Membran an die Substratoberfläche
behindern.
Entsprechende
Schwierigkeiten ergeben sich, wenn es darum geht, einzelne Teilchen
lagegenau auf einer Substratoberfläche abzuscheiden bzw. zu deponieren.
Das
technische Problem der vorliegenden Erfindung besteht daher darin,
die Vorrichtungen und das Verfahren der eingangs bezeichneten Gattungen dadurch
zu verbessern, daß die
Blende bzw. deren Loch näher
an der Substratoberfläche
angeordnet und dennoch the Positionierung genau und unter Anwendung
von in z-Richtung erstreckten Strukturen vorgenommen werden kann.
Zur
Lösung
dieser Aufgabe dienen die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1, 12
und 13.
Die
Erfindung bringt den Vorteil mit sich, daß der Biegebalken (cantilever)
unter Anwendung herkömmlicher
Mittel mit einer sehr fein auslaufenden Spitze versehen werden kann.
Diese Spitze kann daher zwischen etwaigen in z-Richtung erstreckten Strukturen
sehr nahe an die Substratoberfläche
herangebracht werden, selbst wenn sie auf ihrer äußeren Oberfläche zusätzlich mit
einem Detektor versehen ist, wodurch auch die Abscheidung oder Implantation
von besonders langsamen Ionen mit weniger als z.B. 5 KeV problemlos
möglich
wird. Das gilt insbesondere dann, wenn der Detektor nach einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
als eine mit einem pn-Übergang versehene
Diode angebildet wird, deren räumliche
Ausdehnung vergleichsweise klein gehalten kann. Schließlich ermöglicht es
die Erfindung, die Vorrichtung mit einem nach dem AFM-Verfahren (Atomic
Force Microscopy) arbeitenden Rasterkraftmikroskop zu kombinieren.
Dadurch wird eine sowohl für
AFM-Zwecke als auch für
Abscheidungs- oder Implantationszwecke geeignete Vorrichtung erhalten. Diese
Vorrichtung ermöglicht
es, in einem ersten Arbeitsschritt eine ggf. mit in z-Richtung verlaufenden Strukturen
versehene Substratoberfläche
mit der Cantileverspitze abzutasten und die dabei erhaltenen Positionsdaten
zu speichern. In einem nachfolgenden Arbeitsschritt können die
gespeicherten Positionsdaten dann dazu verwendet werden, mit Hilfe desselben
Cantilevers diejenigen Felder genau anzufahren, an denen ein Teilchen
implantiert werden soll. Alternativ wäre es aber auch möglich, den
Cantilever während
des Abtastvorgangs an irgendeiner vorgewählten Position anzuhalten,
um bereits während
des ersten Arbeitsschritts eine Abscheidung oder Implantation vorzunehmen.
Weitere
vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die
Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen
an einem Ausführungsbeispiel
näher erläutert. Es
zeigen:
1 schematisch einen Längsschnitt
durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Implantation einzelner Teilchen;
2 eine vergrößerte Unteransicht
der Vorrichtung nach 1 im
Bereich einer Spitze;
3 die Kombination der Vorrichtung
nach 1 und 2 mit einem Kraftmikroskop;
4 schematisch eine Schaltungsanordnung
für die
Vorrichtung nach 3;
und
5 schematisch eine mit der
Schaltungsanordnung nach 4 erhaltenen Meßkurve.
Nach 1 und 2 enthält eine Vorrichtung zur lagegenauen
Implantation einzelner Teilchen in eine Oberfläche 1a eines z. B.
aus Silizium bestehenden Substrats 1 nach dem derzeit für am besten
gehaltenen Ausführungsbeispiel
der Erfindung ein Bauelement, das als einseitig einzuspannender,
ebenfalls aus Silizium hergestellter Biegebalken 2 bzw. Cantilever
ausgebildet ist. Die Biegebalken 2 enthält einen hinteren Endabschnitt 2a,
der fest an einem Grundkörper 3 befestigt
bzw. in diesem eingespannt ist oder mit diesem aus einem Stück besteht,
und einen freien, vorderen Abschnitt 2b, der unter Verbiegung
des Biegebalkens 2 in Richtung eines Doppelpfeils v (1) auf- und abbewegt werden bzw. schwingen
kann. Die Richtung des Pfeils v entspricht dabei
z.B. der z-Achse eines gedachten Koordinatensystems, während die
dazu senkrechten Richtungen x- bzw y-Achsen entsprechen. Die dem
Biegebalken 2 zugewandte und mit Teilchen zu implantierende
Oberfläche 1a des
Substrats 1 ist im wesentlichen parallel zu einer von den
x- und y-Achsen aufgespannten Ebene angeordnet.
Der
Endabschnitt 2b ist an seiner Unterseite 2c mit
einer vorstehenden, parallel zum Pfeil v nach unten
ragenden, kegel- oder pyramidenförmig
ausgebildeten Spitze 4 versehen, deren freies Ende der Oberfläche 1a des
Substrats 1 zugewandt ist.
Erfindungsgemäß bildet
die Spitze 4 einerseits eine Blende, andererseits einen
Detektor. Zu diesem Zweck weist die Spitze 4 ein durchgehendes Loch 5 auf.
Mit besonderem Vorteil ist die Spitze 4 als ein kegel-
oder pyramidenförmiger
und damit trichterförmiger
Hohlkörper
ausgebildet, dessen dem Substrat 1 zugewandtes Ende das
Loch 5 aufweist, das an dieser Stelle seinen kleinsten
Querschnitt von z.B. 5 nm bis 20 nm aufweist. Von dort an erweitert
sich das Loch 5 konisch in Richtung des Endabschnitts 2b,
um dann in einen im wesentlichen zylindrischen, den Endabschnitt 2b durchsetzenden
Durchgang 6 zu münden.
Die Herstellung des Lochs 5 kann auf bekannte Weise mit
Hilfe eines fokussierten Ionenstrahls (FIB) erfolgen [z.B. P. Grabiec
et al in "SNOM/AFM
microprobe integrated with piezoresistive cantilever beam for multifunctionel
surface analysis",
Microelectronic Engineering 61–62 (2002),
S: 981–986].
Auf
ihrer Innenseite ist der die Spitze 4 bildende Hohlkörper mit
einer Metallauflage 7 versehen, die sich bis zu der vom
Substrat 1 abgewandten Oberseite 2d des Endabschnitts 2b erstreckt
und diese ebenfalls zumindest teilweise abdeckt.
Der
Biegebalken 2 ist einschließlich seiner Spitze 4 beispielsweise
aus einem mit Phosphor n-dotierten Halbleitermaterial hergestellt.
In der unmittelbaren Umgebung des Lochs 5 ist die Außenseite
der Spitze 4 dagegen mit einer z.B. mit Bor p-dotierten
Zone 8 versehen, so daß,
wie insbesondere 2 zeigt,
ein das Loch 5 mit geringem Abstand umgebender pn-Übergang 9 entsteht.
Dabei ist die p-dotierte Zone 8 mit einer gegen die n-dotierte Schicht
isolierten Elektrode 10 und der im übrigen n-leitende Biegebalken 2 mit
einer weiteren Elektrode 11 versehen, die beide mit dem
positiven bzw. negativen Pol einer Spannungsquelle verbunden werden
können.
Der pn-Übergang 9 stellt
in einer weiter unten erläuterten
Weise einen Detektor für
Sekundärelektronen
dar.
Gemäß 1 ist in der Nähe des fest
liegenden Endabschnitts 2a ein piezoresistiver Sensor 12 in
den Biegebalken 2 eingelassen. Mit einem solchen Sensor 12 läßt sich
u. a. die lokal auf den Biegebalken 2 wirkende mechanische
Spannung berechnen, da sich der Widerstand des Sensors nach der
Formel ΔR/R
= δlΠl + δtΠt ändert.
Darin bedeuten R den Widerstand des Sensors 12, ΔR die Widerstandsänderung, δl und δt die laterale
bzw. transversale Spannungskomponente und Πl und Πt die
transversalen bzw. lateralen, piezoresistiven Koeffizienten (vgl.
z.B. Reichl et al in "Halbleitersensoren", expert-Verlag 1989,
S. 225). Vorzugsweise ist der Sensor 12 an einem Ort des
Biegebalkens 2 angeordnet, wo sich die höchsten mechanischen
Spannungen ergeben, um ein hohes Signal/Rausch-Verhältnis zu
erhalten.
Oberhalb
der beschriebenen Vorrichtung, insbesondere oberhalb des Endabschnitts 2b des Biegebalkens 2 ist
eine nicht näher
dargestellte Teilchenquelle 14 angeordnet, von der ausgewählte Teilchen 15,
vorzugsweise geladene Ionen und mit besonderem Vorteil hochgeladene
Ionen mit mehr als 2+ erzeugt und mit an sich bekannten Mitteln
[z.B. a.a.o. J. Vac. Sci. Technol. B 20 (6)] in Richtung der Oberseite
des Endabschnitts 2b beschleunigt werden. Die Richtung
des Teilchensstrahls ist dabei so gewählt, daß Teilchen, die auf einer zum
Loch 5 koaxialen Bewegungsbahn transportiert werden, das Loch 5 ungehindert
passieren können,
während
die meisten anderen Teilchen auf die Metallauflage 7 aufprallen
und von dieser absorbiert werden. Die Spitze 4 bildet somit
eine Blende, die nur ausgewählte
Teilchen passieren läßt. Die
Metallauflage 7 wirkt dabei als Stopschicht, die einen
Aufprall der Teilchen auf den z.B. aus Silizium bestehenden Biegebalken 2,
einen Durchtritt durch diesen und damit insbesondere ungewünschte Beschädigungen
u. a. des pn-Übergangs 9 verhindert.
Zwischen
der Teilchenquelle 14 und der Metallauflage 7 wird
vorzugsweise noch eine Vorblende 16 aus Metall angeordnet,
die mit einer zum Loch 5 koaxialen Öffnung 17 versehen
ist. Diese Vorblende 16 kann für den Fall, daß die Teilchen
Ionen sind, durch negative oder positive Aufladung dazu verwendet
werden, den Ionenstrahl abzulenken und dadurch von einem Durchtritt
durch das Loch 5 abzuhalten, wobei gleichzeitig ein ungewünschter
Aufprall der Ionen auf andere Teile der Vorrichtung verhindert werden.
Die
Wirkungsweise der beschriebenen Vorrichtung ist im wesentlichen
wie folgt: Soll die Oberfläche 1a des
Bauelements 1 mit Teilchen 15 implantiert werden,
wird bei eingeschalteter Teilchenquelle 14 das freie Ende
der Spitze 4 bzw. deren Loch 5 dicht über der
Oberfläche 1a angeordnet,
wobei ein Abstand von vorzugsweise ca. 20 nm bis 50 nm eingehalten
wird. Der Teilchenstrom wird dazu beispielsweise so eingestellt,
daß ca.
1012 Teilchen pro Sekunde und pro cm2 in Richtung der Oberfläche 1a bewegt werden
und pro Sekunde nur sehr wenige Teilchen das Loch 5 passieren können. Gleichzeitig
wird an den pn-Übergang 9 eine
Meßspannung
gelegt und der durchgehende Strom kontrolliert.
Trifft
ein Teilchen 15 auf die Oberfläche 1a auf, dann hat
dies eine Sekundärelektronenemission von
der Oberfläche 1a in
Richtung der Spitze 4 zur Folge. Gelangen diese Sekundärelektronen
auf das n-Material nahe des pn-Übergangs 9,
dann ändert sich
der Widerstand der Diode entsprechend mit der Folge, daß ein – wenn auch
kleiner – Stromimpuls
erzeugt wird. Dieses elektrisches Signal läßt erkennen, daß ein Teilchen
auf die Oberfläche 1a aufgetroffen ist,
und wird gleichzeitig als Beweis dafür gewertet, daß das betreffende
Teilchen 15 in die Oberfläche 1a implantiert
wurde. Das Signal ist natürlich
um so größer, je
größer die
Zahl der Sekundärelektronen
ist, wobei diese Zahl ihrerseits um so größer ist, je höher geladen
die Teilchen bzw. Ionen sind (vorzugsweise > 10+). Abgesehen davon kann der Abstand
des Lochs 5 von der Oberfläche 1a durch Verschiebung des
Substrats 1 in z-Richtung verändert und damit die Detektierbarkeit
des Signals optimiert werden. Auf diese Weise kann mit einer Wahrscheinlichkeit von über 80 %
nachgewiesen werden, daß ein
Teilchen implantiert wurde.
Nach
dem Erscheinen eines auf Sekundärelektronen
zurückzuführenden
Signals wird durch Anlegen einer Ablenkspannung an die Vorblende 16 oder
durch Abschalten der Teilchenquelle 14 verhindert, daß weitere
Teilchen zu derselben Stelle der Substratoberfläche 1a gelangen. Das
Substrat 1 wird dann in x- und/oder y-Richtung bewegt,
bis die nächste
Position für
eine gewünschte
Implantation erreicht ist.
Nach
einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird die
anhand der 1 und 2 beschriebene Vorrichtung
in ein nach dem AFM-Verfahren arbeitendes, zur Abtastung der Oberfläche von
mikrotechnischen Bauelementen bestimmtes Kraftmikroskop integriert.
Grundsätzlich sind
für diese
Zwecke zahlreiche Kraftmikroskope bekannt (z.B. Technische Universität Berlin "Methoden der angewandten
Physik – Versuch:
AFM Atomic Force Microscopy" von
Prof. Dr. Dieter Bimberg, www.physik.TU-Berlin.DE/institute/IFFP).
Für besonders
gut geeignet wird jedoch die nachfolgend anhand der 3 und 4 beschriebene
Vorrichtung gehalten, wobei zur Vereinfachung der Darstellung die Teilchenquelle 14 und
andere Teile weggelassen wurden.
Gemäß 3 ist der vordere Endabschnitt 2b des
Biegebalkens 2 zusätzlich
mit einem Heizdraht-Aktuator 20 versehen. Dieser besteht
z.B. aus einem Widerstandsheizelement bzw. einem gestreckten oder
wendelförmig
verlegten Heizdraht od. dgl., der beim Durchleiten eines elektrischen
Stroms eine lokale Erwärmung
des Biegebalkens 2 im Bereich des Endabschnitts 2b bewirkt.
Zuleitungen zum Aktuator 20 sind in 3 mit den Bezugszeichen 21a, 21b angedeutet.
An
der Unterseite des Biegbalkens 1 ist, wie ebenfalls in 3 angedeutet ist, ein Streifen 22 aus einem
Material angebracht, der einen im Vergleich zum Grundmaterial des
Biegebalkens 2 stark unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten
besitzt, wie dies z.B. für
Aluminium gilt. Der Streifen 22 besteht daher z. B. aus
einem 1 μm
bis 3 μm
dicken Aluminiumfilm.
Die
beschriebene Meßanordnung
kann gemäß 3 sowohl zur rasterförmigen Abtastung
der Oberfläche 1a des
zu untersuchenden Bauelements 1 nach der AFM-Methode als auch
zur Implantation des Bauelements 1 im Sinne der 1 und 2 verwendet
werden. Zu diesem Zweck wird das Bauelement 1 auf einem
Tisch 23 einer in 5 grob
schematisch dargestellten AFM-Vorrichtung abgelegt, wobei der Tisch 23 einerseits
mittels eines Z-Antriebs 24 in Richtung der die z-Achse
eines gedachten Koordinatensystems auf- und ab und andererseits
mit Hilfe weiterer, vorzugsweise piezoelektronischer Antriebe in
x- bzw. y-Richtung des Koordinatensystems hin und her bewegt werden
kann. Der Grundkörper 3 ist dagegen
bei oberhalb des Bauelements 1 angeordneter Spitze 4 des
Biegebalkens 2 fest in einer Halterung 25 eingespannt.
Gleichzeitig wird gemäß 4 der Heizdraht-Aktuator 20 z.B.
mittels der Zuleitungen 21a, 21b an eine Stromquelle 26 angeschlossen. Außerdem wird
der piezoresistive Sensor 12 (1) vorzugsweise in eine nur schematisch
angedeutete Brückenschaltung 27 geschaltet,
von der eine für
die Widerstandsänderung ΔR/R des Sensors 12 bzw.
die mechanische Spannung des Biegebalkens 2 charakteristische
elektrische Spannung abgenommen wird. Diese elektrische Spannung
wird einem ersten Eingang eines Vergleichers 28 zugeführt.
Die
Stromquelle 26 besitzt einerseits einen an den Ausgang
eines Wechselspannungsgenerators 29 angeschlossenen Wechselstromerzeuger 26a,
andererseits einen an den Ausgang eines Reglers 30 angeschlossenen
Gleichstromerzeuger 26b. Die Ausgangsspannung des Wechselspannungsgenerators 29 wird
auch einem zweiten Eingang des Vergleichers 28 als Referenzspannung
zugeführt. Ein
Ausgang des Vergleichers 28 ist schließlich mit einem Eingang des
Reglers 30 verbunden.
Vor
der Untersuchung des Bauelements 1 wird zunächst dessen
Oberfläche 1a mit
Hilfe des AFM-Verfahrens und vorzugsweise im sogenannten "Nicht Kontakt"-Modus, d.h. berührungsfrei abgetastet, um dadurch
ein Bild der Oberfläche 1a und
die genauen Koordinaten von vorher aufgebrachten Positionierungslinien 31 zu
erhalten, die in 3 schematisch
angedeutet sind und in der Regel über die sonst meistens planare
Oberfläche 1a etwas
vorstehen. Diese Abtastung kann z.B. wie folgt durchgeführt werden:
Nachdem
das Bauelement 1 auf dem Tisch 23 plaziert worden
ist, wird dieser zunächst
parallel zur z-Richtung bis zum Anschlag der Oberfläche 1a an die
Spitze 4 bewegt und dann um z. B. 0,5 μm wieder leicht zurückgezogen,
damit die Spitze 4 sicher oberhalb der höchsten Erhebung
der Oberfläche 1a bzw. der
Positionierungslinien 31 liegt. Mit Hilfe des Wechselspannungserzeugers 26a wird
dem Heizdraht-Aktuator 20 dann
ein Wechselstrom zugeführt,
um ihn periodisch zu erwärmen.
Dadurch ergeben sich unterschiedliche Wärmedehnungen für den auf
dem Biegebalken 2 befestigten Aluminiumstreifen 22 einerseits
und das angrenzende Material des Biegebalkens 2 andererseits,
so daß der
Biegebalken 2 mit der Frequenz des Wechselstroms nach Art
eines Bimetallstreifens geringfügig
verbogen bzw. in mechanische Schwingungen versetzt wird, wobei die
Amplitude dieser Schwingungen nur einige Nanometer betragen braucht.
Anschließend
wird dem Heizdraht-Aktuator 20 mit Hilfe des Gleichstromerzeugers 26b zusätzlich ein
Gleichstrom derart zugeführt,
daß der
Biegebalken 2 eine gleichförmige Biegung parallel zur
z-Achse und in Richtung der Oberfläche 1a des Bauelements 1 erfährt und
sich die Spitze 4 der Oberfläche 1a bis auf einen
gewünschten
kleinen Wert annähert,
ohne sie zu berühren.
Die durch die Gleichstromkomponente herbeigeführte Verbiegung des Biegebalkens 2 in
z-Richtung kann z. B. bis zu einigen Mikrometern betragen.
Die
Spitze 4 schwingt nun mit der Frequenz des anregenden Wechselstroms
bzw. der vom Wechselspannungsgenerator 29 abgegebenen Wechselspannung,
wobei der Biegebalken 2 als Feder und die Spitze 4 als
Masse eines schwingungsfähigen Systems
betrachtet werden kann. Die Anregung dieses Schwingungssystems erfolgt
vorzugsweise mit der Resonanzfrequenz dieses Schwingungssystems. Im
ungedämpften
Zustand, d. h. bei großem
Abstand der Spitze 4 von der Oberfläche 1a, würde das
vom Sensor 12 gemessene Signal dem anregenden Signal im
wesentlichen ohne Phasenverschiebung folgen.
Tatsächlich wird
die dem Heizdraht-Aktuator 20 zugeführte Gleichspannungskomponente
jedoch so gewählt,
daß sich
die Spitze 4 in so großer
Nähe der
Oberfläche 1a befindet,
daß van
der Waals'sche Anziehungskräfte wirksam
werden, wie dies für
den sogenannten "Nicht-Kontakt"-Modus des AFM-Verfahrens
typisch ist. Die Schwingungen des Biegebalkens 2 werden
dadurch gedämpft
mit der Folge, daß das
vom Sensor 12 erzeugte Signal dem anregenden Signal um
einen bestimmten Phasenwinkel nacheilt. Die Größe der sich ergebenden Phasenverschiebung
ist vom mittleren, in z-Richtung
gemessenen Abstand der Spitze 4 von der Oberfläche 1a abhängig. Die
Phasenverschiebung ist um so größer, je kleiner
dieser Abstand wird.
Die
Spitze 4 wird nun rasterförmig in x- und y-Richtung über die
Oberfläche 1a geführt. Trifft
sie dabei auf eine Positionierungslinie 31 od. dgl., dann ändert sich
die Dämpfung
und damit die Phasenverschiebung zwischen den vom Wechselspannungsgenerator 29 und
vom Sensor 12 abgegebenen Spannungen. Die jeweilige Phasenverschiebung
wird in dem Vergleicher 28, der vorzugsweise als PPL-Baustein
(Phase- Locked Loop)
ausgebildet ist, gemessen. Der sich ergebende Wert wird vom Vergleicher 28 dem
vorzugsweise als PID-Regler ausgebildeten Regler 30 zugeführt. Dieser
steuert daraufhin den Gleichstromerzeuger 26b so, daß die Spitze 4 mehr oder
weniger angehoben oder abgesenkt und dadurch der Abstand zwischen
ihr und der Oberfläche 1a des
Bauelements 1 konstant gehalten wird, was dem mit konstantem
Abstand arbeitenden AFM-Verfahren entspricht. Die Teile 12, 20, 28, 30 und 26b bilden
somit einen geschlossenen Regelkreis, wobei der Sensor 12 den
jeweiligen Istwert ermittelt, während
der Regler 30 einen vorgegebenen Sollwert für den Abstand
der Spitze 4 vom Bauelement 1 vorgibt.
Das
Ergebnis einer derartigen Regelung ist im oberen Teil der 5 schematisch dargestellt,
in der längs
der Abszisse der Ort der Spitze 4 z. B. in Richtung der
x-Achse und längs der
Ordinate der dem Heizdraht-Aktuator 20 zugeführte Gleichstrom aufgetragen
sind. Ein kleiner (bzw. großer)
Wert des Gleichstroms in einem Kurvenabschnitt 32 (bzw. 33) bedeutet
dabei eine geringe (bzw. starke) Verbiegung des Biegebalkens 2 in
Richtung des Tisches 23 (3)
gegenüber
einer vorgewählten
Nullstellung Io, was gleichbedeutend ist
z. B. mit einer Positionierungslinie 31 bzw. einer zwischen
zwei Positionierungslinien 31 liegenden Vertiefung 34 der
Oberfläche 1a in
z-Richtung. Die Kurvenabschnitte 32, 33 vermitteln
daher ein Positivbild der abgetasteten Oberflächentopologie des abgetasteten
Bauelements 1.
Die
Ausgangssignale des Reglers 30 oder den Stromwerten in 5 entsprechende Signale werden
zusammen mit den ihnen zugeordneten Adressen in Form von x- und
y-Koordinaten, die mit Hilfe von nicht dargestellten Positionsgebern
od. dgl. erhalten werden, einer Verarbeitungseinheit 35 (4) und nach geeigneter Verarbeitung
als "Bild"-Daten einem Datenspeicher 36 zugeführt. Aus diesen
Daten und ihren Adressen ist dann ersichtlich, wo genau die für das nachfolgende
Implantieren des Bauelements 1 benötigten Positionierungslinien 31 od.
dgl. angeordnet sind.
Bei
der nun folgenden Implantation des Bauelements 1 wird die
anhand der 3 bis 5 beschriebene Vorrichtung
ebenfalls eingesetzt. Hierzu wird der piezoresistive Sensor 12 bzw.
die Brückenschaltung 27 mittels
eines Umschalters 37 (4)
an eine Meßvorrichtung 38 angeschlossen,
die z. B. in digitaler Form unmittelbar die mechanische Spannung,
unter der der Biegebalken 2 gerade steht, oder die Kraft anzeigt,
mit der die Spitze 4 auf die Oberfläche 1a des Bauelements 1 drückt.
Zu
Beginn eines Implantationsvorgangs werden die im Datenspeicher 36 vorliegenden
Adressen der Positionierungslinien 31 zur Ansteuerung der
x- und y-Antriebe des Tisches 23 verwendet, um die Spitze 4 jeweils
auf eine vorgewählte
Positionierungslinie 31 einzustellen. Danach wird der Tisch 23 mittels
der x- und y-Antriebe zusätzlich
um so viele Schritte in x- und/oder y-Richtung bewegt, daß unter der
Spitze 4 ein von den Positionierungslinien 31 definiertes
freies Feld 39 der Oberfläche 1a zu liegen kommt.
Die erforderliche Schrittzahl ist bekannt, da das Rastermaß bzw. der
Abstand der Positionierungslinien 31 voneinander bekannt
ist. Anschließend
erfolgt die Implantation eines Teilchens in der Weise, wie oben
anhand der 1 und 2 beschrieben wurde, bis
der aus dem pn-Übergang
gebildete Detektor den Abschluß der
Implantation anzeigt. Daraufhin wird der Teilchenfluß unterbrochen,
der Tisch 23 in x- und y-Richtung so verfahren, daß das nächste zu
implantierende Feld 39 unter der Spitze 4 liegt, und
erneut eine Implantation vorgenommen.
Ein
besonderer Vorteil der anhand der 3 bis 5 beschriebenen Vorrichtung
besteht darin, daß die
den Biegebalken 2 enthaltende Anordnung (1 und 3)
alle sowohl zur rasterförmigen
Abtastung als auch zur Implantation der Bauelemente 1 erforderlichen
Mittel in sich vereinigt. Außerdem
kann der Sensor 12 zusätzlich
dazu verwendet werden, die Spitze 4 beim Implantieren auf
einen günstigen
Abstand relativ zur Oberfläche 1a des
Bauelements 1 einzustellen. Hierzu wird beispielsweise
nach Anordnung der Spitze 4 über dem zu implantierenden
Feld 39 und nach Umstellung des Umschalters 37 auf
die Meßvorrichtung 38 der
Tisch 23 angehoben, bis die Spitze 4 die Oberfläche des
betreffenden Feldes 39 berührt, was an der Meßvorrichtung 38 abgelesen werden
kann. Anschließend
wird der Tisch 23 in z-Richtung um ein gewisses Maß von z.B.
20 nm bis 50 nm abgesenkt. Die Spitze 4 kann auf diese
Weise beim Implantieren auf einen Abstand von der Oberfläche des
Feldes 39 eingestellt werden, der kleiner als die Höhe der Positionierungslinien 31 über dieser Oberfläche ist.
Zur
Beschleunigung des Implantationsvorganges ist es möglich, die
Implantation des Bauelements 1 dadurch zu bewirken, daß gleichzeitig
wenigstens zwei Spitzen 4 über ausgewählten Feldern 39 des
Bauelements angeordnet werden. In diesem Fall wird die beschriebene
Vorrichtung mit entsprechend vielen Anordnungen nach 1 und 2 ausgerüstet. Es ist dann nur erforderlich,
die verschiedenen Spitzen 4 in einem dem Rasterabstand
der Felder 39 entsprechenden Abstand voneinander anzuordnen, damit
nach der lagegenauen Positionierung einer ausgewählten Spitze 4 über einem
ausgewählten Feld 39 automatisch
auch alle anderen vorhandenen Spitzen 4 über einem
der Felder 39 angeordnet sind.
Die
Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, die
auf vielfache Weise abgewandelt werden können. Dies gilt insbesondere
für die
angegebenen Formen, Abmessungen und Materialien der erfindungsgemäßen Vorrichtungen
sowie die beschriebene AFM-Vorrichtung insgesamt, die auch durch
andere AFM-Vorrichtungen ersetzt
werden könnte.
Beispielsweise ist es möglich, die
Brückenschaltung 27 (4) komplett in den Biegebalken 2 bzw.
den Grundkörper 3 zu
integrieren oder nur den eigentlichen Sensor 12 im Biegebalken 2 anzubringen.
Weiter können
die Zuleitungen 21a, 21b und der Heizdraht-Aktuator 20 mehr
oder weniger weit vom Aluminiumstreifen 22 beabstandet
sein, wobei der Heizdraht-Aktuator 20 auch durch andere Aktuatoren
ersetzt werden kann. Auch die Anordnung der Linien 31 und
Felder 39 und die geometrischen Formen der Teile 2 bis 12 dienen
nur als Beispiele und können
in vielfacher Hinsicht variiert werden. Die beschriebene Vorrichtung
kann außer
zur Implantation auch zur Abscheidung einzelner oder mehrerer Teilchen
auf der Substratoberfläche
verwendet werden. Wie im Fall der Implantation können dabei gleichzeitig auch
mehrere Bauelemente eingesetzt werden, die wenigstens je einen Cantilever
mit wenigstens je einer im Spitzenbereich angeordneten Blende aufweisen.
Außerdem
ist es möglich,
die Cantileverspitze während
des Abscheidungs- oder Implantationsprozesses mit der Substratoberfläche in Berührung zu
bringen, anstatt sie in einem vorgewählten Abstand von dieser zu
halten. Schließlich versteht
sich, daß die
verschiedenen Merkmale auch in anderen als den dargestellten und
beschriebenen Kombinationen angewendet werden können.