EP2409165A1 - Rasterkraftmikroskop - Google Patents

Rasterkraftmikroskop

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Publication number
EP2409165A1
EP2409165A1 EP09775848A EP09775848A EP2409165A1 EP 2409165 A1 EP2409165 A1 EP 2409165A1 EP 09775848 A EP09775848 A EP 09775848A EP 09775848 A EP09775848 A EP 09775848A EP 2409165 A1 EP2409165 A1 EP 2409165A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cantilever
sensor tip
longitudinal axis
force microscope
central longitudinal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09775848A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Henning Heuer
André STRIEGLER
Jörg Opitz
Malgorzata KOPYCINSKA-MÜLLER
Sascha Naumann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Technische Universitaet Dresden
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Technische Universitaet Dresden
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV, Technische Universitaet Dresden filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP2409165A1 publication Critical patent/EP2409165A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q60/00—Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
    • G01Q60/24—AFM [Atomic Force Microscopy] or apparatus therefor, e.g. AFM probes
    • G01Q60/38—Probes, their manufacture, or their related instrumentation, e.g. holders
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q70/00—General 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
    • G01Q70/08—Probe characteristics
    • G01Q70/10—Shape or taper

Definitions

  • the invention relates to an atomic force microscope according to the preamble of claim 1, which can be used for investigations on surfaces of samples.
  • Atomic Force Microscopes which are used in the scanning probe microscopy
  • various investigations can be performed on samples.
  • SPM Scanning Probe Microscopy
  • a sample (sample) in at least one axial direction take place. and / or y-direction.
  • the vertically aligned axis is then the z-axis.
  • a sensor tip is aligned with a cantilever so that its tip is at an angle of approximately 90 ° with respect to the central longitudinal axis in the direction (i.d.R.
  • Axis on the surface of a sample to be detected be aligned and in the form of a pyramid, which tapers conically in the direction of the surface to be detected, formed and arranged in the plane of the central longitudinal axis of the cantilever.
  • sensor tips made of the same material from which the spring bar is formed, such as monocrystalline silicon, are used.
  • Sensor bar cantilevers may additionally be provided with suitable actuators, e.g. Piezoactuators in
  • Oscillation are added, this should preferably be done at a resonant frequency.
  • the object of the invention is to provide an atomic force microscope with which surface regions of samples can be detected which are oriented at a steeply inclined angle with respect to the central longitudinal axis of a cantilever of the atomic force microscope.
  • Essential elements known from the prior art may be present on an atomic force microscope according to the invention. These are, for example, the control and evaluation electronics, elements for the execution of movements and the measuring technique.
  • an optical measurement of movements of the cantilever in which a reflected from the cantilever laser beam is directed to an optical detector.
  • Preference is given to spatially resolved detecting optical detectors, such as a four-quadrant photodiode.
  • the cantilever may be vibrated with at least one piezo actuator when detection is to be performed in a dynamic mode.
  • a modified arrangement and / or design of at least one sensor tip present on a cantilever is realized with an atomic force microscope in order to be able to detect the steeply inclined surface areas of samples. These surface areas may be oriented at an angle of 90 ° ⁇ 20 ° with respect to a generally horizontally oriented plane (xy plane).
  • the sensitive region of a sensor tip is arranged at a distance to and in addition to the central longitudinal axis of the cantilever. This can also be achieved with sensor tips whose base point is arranged at a distance next to the central longitudinal axis of the cantilever.
  • a combination of sensitive area and foot point arranged next to the central longitudinal axis can also be realized.
  • a sensor tip can be angled or curved at an angle ⁇ 90 ° with respect to the central longitudinal axis of the cantilever.
  • the sensitive area of a sensor tip is that part of the sensor tip which points in the direction of the surface to be detected. As with known sensor tips it has the smallest cross-section, since here too a conical taper of the sensor tip is realized in the direction of the surface to be detected.
  • a plurality of sensor tips can also be present on a spring bar.
  • two sensor tips may be present on two opposite sides of the cantilever with respect to its central longitudinal axis.
  • Two or three sensor tips can be aligned at angular intervals of 90 ° to each other.
  • At least one second sensor tip can be present on the spring bar, the sensitive area of which is arranged at a distance and next to the central longitudinal axis of the cantilever.
  • the sensitive area points in a lateral direction next to the spring bar.
  • Sensor tips can also be dimensioned and designed so that the sensitive area projects beyond an outer edge of the cantilever in the unfixed area of the cantilever. This should be the case if an obliquely inclined surface area is to be detected whose length in this axial direction is greater than the distance between the sensitive area Area of the sensor tip and the spring bar is.
  • the at least one sensor tip may be aligned or angled with respect to the central longitudinal axis of the cantilever at an obliquely inclined angle.
  • An orientation of the sensitive area of a sensor tip is preferably at an angle of almost 90 ° with respect to the orientation of the surface area of the respective sample to be detected.
  • the sensor tip (s) should be able to approach a surface to be detected. This can be achieved by a vertical deflection of the cantilever. With the detection of the mechanical restoring forces of the cantilever, a detection of the topography of the surface area of the sample can be achieved.
  • the sensor tip should therefore be able to absorb forces acting in the vertical direction without being damaged. It should have sufficient rigidity so that it deforms only negligibly during detection itself.
  • the frequency with which the spring bar with sensor tip (s) are vibrated can lead to a deformation of the cantilever, which can bend or twist. This should be done in a targeted manner in order to take into account the deformation of the cantilever during the evaluation. However, the sensor tip should not deform or twist.
  • Sensor tips which can be used in the invention can be angled as an obliquely inclined or tilted pyramid, the tip of which forms the sensitive area, as a one-sidedly bent cone Cone or as a fibrous structure which is bent or inclined in one direction, be formed.
  • the production can be carried out in such a way that they are produced analogously to conventional standard sensor tips in silicon technology, taking into account the new orientation of the sensitive region.
  • a fibrous structure can be at least one carbon nanotube.
  • One or more of such tubes can be formed by a suitable method, which can be done by a pre-formed in the spring bar opening.
  • An aperture (for example bore) can be formed in a correspondingly inclined angle by the spring bar, with which the orientation of such a sensor tip can be specified.
  • Extra manufactured sensor tips made of a wide variety of materials, including metals, can also be attached to a spring bar. This can preferably be done cohesively.
  • the preparation can also be done by silicon etching with subsequent material removal.
  • a spring bar made of silicon can be etched with an approach for a sensor tip so that a connected to its smallest cross-section with the spring bar truncated pyramid has been formed on the spring bar on which subsequently a targeted shaping material removal takes place.
  • the material removal can be carried out, for example, with an ion beam, which is preferably focused.
  • the spring bar can assume a cross-sectional shape rotated through 180 °. men.
  • Sensor tips can also be arranged on a spring bar asymmetrically to its central longitudinal axis.
  • the base point of the sensor tip are connected to the sensor tip and cantilever with each other or merge into each other, be arranged on one side next to the central longitudinal axis.
  • a second oppositely inclined sensor tip may also be present on a spring bar.
  • a balancing mass can also be favorable in the case of an asymmetrical mass distribution in relation to the central longitudinal axis of the cantilever.
  • two lateral opposite wall regions of a depression can be detected by means of a spring bar and the two sensor tips, without requiring replacement or re-clamping of the sample or the cantilever.
  • Figure I A - D four examples of usable on a cantilever sensor tips in a sectional view
  • FIG. 2 three further examples of sensor tips in a sectional view
  • FIG. 3 in stages, the procedure for approaching and detecting
  • FIG. 4 shows a detection in contact mode
  • FIG. 5 shows a detection in an intermittent mode.
  • FIG 1 four examples of a cantilever sensor tip unit are shown in sectional views. It is clear from the cross-sectional representations that the sensitive regions 2 'of the sensor tips 2 are arranged offset to one side with respect to the central longitudinal axis of the cantilever 1.
  • the central longitudinal axis of the spring bar 1 is illustrated with the vertically aligned line, in the illustrated cross section of the cantilever 1.
  • Example A shows a pyramid tilted diagonally to the side.
  • examples A, C and D the sensor pointed angled and curved in Example B.
  • Example B may be formed with a fibrous structure which, as explained in the general part of the description, may be formed with at least one carbon nanotube.
  • Example C A starting from the prior art modified sensor tip 2 is shown with Example C.
  • the sensor tip 2 made of silicon, as well as the cantilever 1 is formed. Only the part of the sensor tip 2 facing the sensitive surface 2 'in the direction of the detecting surface is angled accordingly.
  • the sensor tip 2 of Example D was brought into the form shown by material removal with a focused ion beam (FIB technology).
  • FIB technology focused ion beam
  • a semi-finished silicon product of the spring bar 1 was produced with a truncated cone formed thereon, which is indicated by the dashed line.
  • the finished contour of the sensor tip 2 is illustrated by a solid line after the material removal.
  • sensor tips 2 can also be aligned at an angle of 90 ° on the spring bar 1, so that the sensitive area 2 'should then be pointed out of the plane of the drawing.
  • FIG. 2 shows three further examples of spring beam sensor tip units B1 to B3. Again, cross-sectional views were chosen.
  • the cantilever 1 protrudes on one side beyond the edge, but is mounted symmetrically with respect to the central longitudinal axis of the cantilever 1 at this.
  • the examples B2 and B3 show correspondingly asymmetrical arrangements of sensor tips 2 on cantilever 1, in which the bases of the sensor tips 2 are arranged offset to the central longitudinal axis of the cantilever 1 at a distance from the longitudinal axis. They differ by the inclination angle and the dimensioning of the sensor tips 2 and also by the orientation of the cantilever 1, in which once the narrower side is arranged vertically below at B2 and once vertically above at B3.
  • sensor tip 2 with spring bar 1 is moved horizontally in the x-axis direction to a surface area of sample 3 which is vertically aligned here (see step 3) until the sensitive area 2 'of sensor tip 2 touches this surface area or has been recognized by the atomic force microscope , With simultaneous movement in the z-axis direction - step 4, the determination can be made on the vertically aligned surface area of the sample 3 in modes known in atomic force microscopes.
  • a detectable torsional force acts upon impact of the sensitive area 2 'of the sensor tip 2 on the surface of the surface area to be detected on the spring bar 1.
  • a region of the surface region of the sample 3 to be detected can thus consist of several detected lines. It is approximately in the y-z plane, which corresponds to a vertical surface / plane. The surface can be scanned in this way.
  • the spring constant or spring characteristic of the cantilever 1 influences the measuring accuracy and the contact force between the sensor tip 2 and the surface of the sample 3.
  • the stiffness in the vertical bending direction (z-axis) should be higher than that in the lateral direction. A possibly occurring vertical deflection of the cantilever 1 can be detected during the measurement and compensated in a suitable form during the evaluation.
  • a spatially resolved measuring optical system should preferably be used.
  • shear detector such as a four-quadrant photodiode can be used.
  • FIG. 1 The implementation of a modified contact mode is to be illustrated with FIG. During the detection, the sensor tip 2 is kept in permanent contact with the surface to be detected.
  • a constant contact force between the contacting parts of the sensor tip 2 and the sample 3 is set by a constant held deflection of the cantilever 1. If a change in the height occurs during the movement of the sensor tip 2 over the surface area, a change in the contact force occurs, which can be compensated by a change in the position of the clamping of the cantilever 1. From this height tracking, a quantitative statement can be made regarding the surface topography of a surface to be detected in the case of several measurement runs to be performed.
  • the torsion of the cantilever 1 should be kept constant about its central longitudinal axis.
  • the contact forces acting between the sensor tip 2 and the surface of the sample 3 can be calculated from the respective torsion angles with the spring stiffness of the cantilever 1 about its central longitudinal axis.
  • a constant torsion can be observed during detection by changing the position of the clamping of the cantilever 1 in the horizontal x-axis direction, in which it is tracked.
  • the course of the surface contour can thus be detected by determining the change in position of the clamping of the cantilever 1.
  • the non-fixed part of the cantilever 1 is excited to torsional vibrations, as shown in Figure 5.
  • the excitation of the torsional vibrations about the central longitudinal axis can be achieved with a pair of piezoactuators, which oscillate in opposite phase and are arranged laterally.
  • a constant excitation frequency should be selected which corresponds to an n-th order torsional resonance frequency of the freely oscillating cantilever 1, but is at least close to this frequency.
  • a possibly existing influence of an asymmetrical mass distribution can be compensated for by a balancing mass to be attached correspondingly to the spring bar 1 or to be formed there.
  • the torsional vibrations can be taken into account by changing the position of the clamping of the cantilever 1 in the x or y axis direction. There is a tracking according to the surface topography in the detected surface area. By evaluating the correspondingly changing positions of the clamping of the cantilever 1, the respective topography curve can be determined. This is shown by the dotted line in FIG.
  • an error image can be generated via the changing amplitude of the torsional vibrations, and with the detected phase shift, further information about the respective sample can be obtained.
  • Et al elastic properties of the sample can be determined.
  • a horizontal movement of the sensor tip 2 in the y-axis direction can also be achieved by exciting bending vibrations. This movement allows the detection of steeply inclined surfaces, which are aligned approximately to the longitudinal axis of the cantilever 1, by tracking the oscillation amplitude.
  • the cross-sectional geometry of the cantilever 1 should take into account whether torsional or bending vibrations are used.
  • piezo actuators When positioning the clamping of the spring beam 1 in space (x, y and z axis direction), probably in contact mode, as well as in dynamic mode piezo actuators are used, which have an effect on the mechanical forces acting between sensor tip 2 and sample 3 (x-axis direction) as well as during a scanning movement (y- and z-axis direction) achieve high accuracy.
  • conventionally trained atomic force microscopes which are supplemented only with the invention, can meet these requirements. If mobility in a conventional atomic force microscope is not sufficiently great, in particular in the z-axis direction, a sample stage which can be positioned very accurately can be used.
  • a positioning unit can take into account the required travel, the travel speed and the required positioning accuracy.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Rasterkraftmikroskop, das für verschiedene Untersuchungen an Oberflächen von Proben einsetzbar ist. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Rasterkraftmikroskop zur Verfügung zu stellen, mit dem Oberflächenbereiche von Proben detektierbar sind, die in Bezug zur mittleren Längsachse eines Federbalkens des Rasterkraftmikroskops in einem steil geneigten Winkel ausgerichtet sind. Bei einem erfindungsgemäßen Rasterkraftmikroskop ist mindestens eine Sensorspitze an einem Federbalken angeordnet, deren sensitiver Bereich in einem Abstand zum Federbalken angeordnet ist. Dabei ist der an einer Stirnseite ge- haltene und mit mindestens einem Aktuator in Schwingung versetzbare Federbalken mit Sensorspitze und Probe relativ zueinander entlang mindestens einer Achse bewegbar. Der sensitive Bereich einer Sensorspitze und/oder der Fußpunkt einer Sensorspitze sind am Federbalken in einem Abstand und neben der mittleren Längsachse des Federbalkens angeordnet. Allein oder zusätzlich kann die Sensorspitze in Bezug zur mittleren Längsachse des Federbalkens in einem Winkel < 90° abgewinkelt oder gekrümmt sein.

Description

Rasterkraftmikroskop
Die Erfindung betrifft ein Rasterkraftmikroskop nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, das für Untersuchun- gen an Oberflächen von Proben einsetzbar ist.
Mit Rasterkraftmikroskopen (AFM) , die bei der Rastersondenmikroskopie einsetzbar sind, können verschiedene Untersuchungen an Proben durchgeführt werden. Bei mittels Rastersondenmikroskopie (Scanning Probe Mic- roscopy, SPM) durchgeführten Detektionen, können z.B. quantitativ Topographien von Probenoberflächen mit einer lateralen Auflösung bei Umgebungsdruckbedingungen im Bereich einiger Nanometer und in einer verti- kal dazu ausgerichteten Achse mit einer Genauigkeit im Bereich von 0,1 nm bestimmt werden. Dabei erfolgt eine Relativbewegung einer an einem Federbalken (Can- tilever) vorhandenen Sensorspitze (Tip) , die gemeinsam auch als „Probe" bezeichnet werden, und einer Probe (Sample) in mindestens einer Achsrichtung x- und/oder y-Richtung. Die vertikal dazu ausgerichtete Achse ist dann die z-Achse.
Sind aber an einer Probenoberfläche Vertiefungen oder Erhebungen vorhanden, die von stark geneigten Oberflächenbereichen begrenzt sind, können diese nicht, zumindest aber mit nicht ausreichender Genauigkeit detektiert werden. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der Flankenwinkel so geneigter Oberflä- chenbereiche größer als der Konuswinkel einer Sensorspitze eines herkömmlichen Rasterkraftmikroskops, der üblicherweise bei ca. 77 ° liegt, ist.
Dies ist auch bei der Anwendung eines Rastertunnel- mikroskops (STM) nicht möglich.
Solche stark geneigten Oberflächenbereiche sind aber an Strukturen der Nano- und Mikroelektronik (z.B. bei der Herstellung integrierter Schaltungen in Silicium- technologie) an zu detektierenden Proben vorhanden. Sie werden u.a. bei den üblicherweise eingesetzten Ätzverfahren, wie z.B. beim anisotropen Ätzen, bei dem Flächen unterätzt werden, ausgebildet. So haben beispielsweise die Topographie und Rauhigkeit von na- hezu senkrecht ausgerichteten Flächen oder Rändern einer lokal geätzten Photolackschicht auf einer Photomaske einen erheblichen Einfluss auf nachfolgende Prozesse oder Prozessschritte, da sich die Topographie und Rauhigkeit einer Ätzmaske auf der auszubil- denden Zielstruktur an einem Substrat wieder findet.
Bei den herkömmlichen Rasterkraftmikroskopen ist eine Sensorspitze an einem Federbalken so ausgerichtet, dass deren Spitze in einem Winkel von ca. 90 ° in Be- zug zur mittleren Längsachse in Richtung (i.d.R. z-
Achse) auf die zu detektierende Oberfläche einer Pro- be ausgerichtet und in Form einer Pyramide, die sich in Richtung auf die zu detektierende Oberfläche konisch verjüngt, ausgebildet und in der Ebene der mittleren Längsachse des Federbalkens angeordnet. Häufig werden Sensorspitzen aus dem gleichen Werkstoff, aus dem auch der Federbalken gebildet ist, wie z.B. monokristallines Silicium, eingesetzt.
Federbalken mit Sensorspitze können dabei zusätzlich mit geeigneten Aktuatoren, z.B. Piezoaktuatoren in
Schwingung versetzt werden, wobei dies bevorzugt bei einer Resonanzfrequenz erfolgen soll.
Untersuchungen an Probenoberflächen werden in unter- schiedlicher Form durchgeführt, wobei dies prinzipiell in drei unterschiedlichen Moden, dem Kontakt-, dem Nicht-Kontakt- und dem intermittierenden Modus erfolgt .
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Rasterkraftmikroskop zur Verfügung zu stellen, mit dem Oberflächenbereiche von Proben detektierbar sind, die in Bezug zur mittleren Längsachse eines Federbalkens des Raster- kraftmikroskops in einem steil geneigten Winkel aus- gerichtet sind.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Raster- kraftmikroskop gelöst, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiter- bildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
An einem erfindungsgemäßen Rasterkraftmikroskop können wesentliche an sich aus dem Stand der Technik be- kannte Elemente vorhanden sein. Dies sind beispielsweise die Steuer- und Auswerteelektronik, Elemente zur Ausführung von Bewegungen und die Messtechnik. Bevorzugt erfolgt eine optische Messung von Bewegungen des Federbalkens, bei der ein vom Federbalken reflektierter Laserstrahl auf einen optischen Detektor gerichtet wird. Bevorzugt sind ortsaufgelöst detek- tierende optische Detektoren, wie z.B. eine Vierquadranten-Photodiode .
Der Federbalken kann mit mindestens einem Piezo- Aktuator in Schwingungen versetzt werden, wenn eine Detektion in einem dynamischen Modus durchgeführt werden soll.
Erfindungsgemäß ist eine gegenüber den bekannten technischen Lösungen abgewandelte Anordnung und/oder Ausbildung mindestens einer an einem Federbalken vorhandenen Sensorspitze, bei einem Rasterkraftmikroskop realisiert, um die steil geneigten Oberflächenbereiche von Proben detektieren zu können. Diese Oberflä- chenbereiche können dabei in einem Winkel 90° ± 20° in Bezug zu einer in der Regel horizontal ausgerichteten Ebene (x-y-Ebene) ausgerichtet sein. Hierfür ist der sensitive Bereich einer Sensorspitze in einem Abstand zur und neben der mittleren Längsachse des Federbalkens angeordnet. Dies kann auch mit Sensorspitzen, deren Fußpunkt in einem Abstand neben der mittleren Längsachse des Federbalkens angeordnet ist, erreicht werden. Es kann auch eine Kombination von neben der mittleren Längsachse angeordnetem sensiti- ven Bereich und Fußpunkt realisiert sein. Allein oder zusätzlich dazu kann eine Sensorspitze in Bezug zur mittleren Längsachse des Federbalkens in einem Winkel < 90° abgewinkelt oder gekrümmt sein. Der sensitive Bereich einer Sensorspitze ist der Teil der Sensor- spitze, der in Richtung auf die zu detektierende O- berfläche weist. Wie auch bei bekannten Sensorspitzen weist er den kleinsten Querschnitt auf, da auch hier eine konische Verjüngung der Sensorspitze in Richtung der zu detektierenden Oberfläche realisiert ist.
Bei einem erfindungsgemäßen Rasterkraftmikroskop können an einem Federbalken auch mehrere Sensorspitzen vorhanden sein. Dabei können zwei Sensorspitzen an zwei gegenüberliegenden Seiten des Federbalkens in Bezug zu dessen mittlerer Längsachse vorhanden sein. Zwei oder drei Sensorspitzen können in Winkelabständen von 90° zueinander ausgerichtet sein.
Es kann eine Sensorspitze parallel zur mittleren Längsachse des Federbalkens angeordnet, der sensitive Bereich aber in einem Winkel kleiner 90° in Bezug zur Längsachse des Federbalkens und der nicht fixierten Stirnseite des Federbalkens ausgerichtet sein. Eine solche Sensorspitze ist dann in Richtung der nicht fixierten Stirnseite des Federbalkens ausgerichtet und kann diese mit dem sensitiven Bereich auch überragen.
Zusätzlich kann mindestens eine zweite Sensorspitze am Federbalken vorhanden sein, deren sensitiver Be- reich in einem Abstand und neben der mittleren Längsachse des Federbalkens angeordnet ist. Der sensitive Bereich weist dabei in eine seitliche Richtung neben den Federbalken.
Sensorspitzen können auch so dimensioniert und ausgebildet sein, dass der sensitive Bereich eine äußere Kante des Federbalkens im nicht fixierten Bereich des Federbalkens überragt. Dies sollte dann der Fall sein, wenn ein schräg geneigter Oberflächenbereich detektiert werden soll, dessen Länge in dieser Achsrichtung größer als der Abstand zwischen sensitivem Bereich der Sensorspitze und dem Federbalken ist.
Die mindestens eine Sensorspitze kann in Bezug zur mittleren Längsachse des Federbalkens in einem schräg geneigten Winkel ausgerichtet oder abgewinkelt sein.
Bevorzugt ist eine Ausrichtung des sensitiven Bereichs einer Sensorspitze in einem Winkel der nahezu 90° in Bezug zur Ausrichtung des zu detektierenden Oberflächenbereichs der jeweiligen Probe beträgt.
Die Sensorspitze (n) sollten an eine zu detektierende Oberfläche angenähert werden können. Dies kann durch eine vertikale Auslenkung des Federbalkens erreicht werden. Mit der Erfassung der mechanischen Rückstellkräfte des Federbalkens kann eine Detektion der Topographie des Oberflächenbereichs der Probe erreicht werden. Die Sensorspitze sollte daher auch in vertikaler Richtung wirkende Kräfte aufnehmen können, ohne beschädigt zu werden. Sie sollte eine ausreichende Steifigkeit aufweisen, so dass sie sich bei der Detektion selbst nur vernachlässigbar verformt.
Die Frequenz mit der Federbalken mit Sensorspitze (n) in Schwingung versetzt werden, kann zu einer Verformung des Federbalkens führen, der sich verbiegen oder verdrehen kann. Dies sollte gezielt erfolgen, um die aufgetretene Verformung des Federbalkens bei der Auswertung berücksichtigen zu können. Die Sensorspitze sollte sich dabei jedoch nicht verformen oder Verdrehen.
Sensorspitzen, die bei der Erfindung eingesetzt werden können, können als eine schräg geneigte bzw. ver- kippte Pyramide, deren Spitze den sensitiven Bereich bildet, als einseitig gebogener Kegel, abgewinkelter Kegel oder als faserartige Struktur, die in eine Richtung gebogen oder geneigt ausgerichtet ist, ausgebildet sein.
Die Herstellung kann so erfolgen, dass sie analog zu üblichen Standardsensorspitzen in Siliciumtechnolgie hergestellt werden, wobei die neue Ausrichtung des sensitiven Bereichs berücksichtigt wird.
Es kann aber auch eine faserartige Struktur aufgebracht werden. Dies kann mindestens ein Kohlenstoff- Nanoröhrchen sein. Ein oder mehrere solcher Röhrchen können mit einem geeigneten Verfahren gebildet werden, wobei dies durch eine vorab im Federbalken aus- gebildete Durchbrechung erfolgen kann. Eine Durchbrechung (z.B. Bohrung) kann dabei in einem entsprechend schräg geneigten Winkel durch den Federbalken ausgebildet sein, mit dem die Ausrichtung einer solchen Sensorspitze vorgegeben werden kann.
Extra hergestellte Sensorspitzen aus unterschiedlichsten Werkstoffen, auch Metallen können an einem Federbalken auch befestigt werden. Dies kann bevorzugt stoffschlüssig erfolgen.
Die Herstellung kann aber auch durch Siliciumätzen mit nachträglichem Werkstoffabtrag erfolgen. So kann ein Federbalken aus Silicium mit einem Ansatz für eine Sensorspitze so geätzt werden, dass ein mit seinem kleinsten Querschnitt mit dem Federbalken verbundener Pyramidenstumpf am Federbalken ausgebildet worden ist, an dem nachträglich ein gezielter formgebender Werkstoffabtrag erfolgt. Der Werkstoffabtrag kann beispielsweise mit einem Ionenstrahl, der bevorzugt fokussiert ist, vorgenommen werden. Der Federbalken kann eine um 180° gedrehte Querschnittsform einneh- men.
Sensorspitzen können an einem Federbalken auch unsymmetrisch zu dessen mittlerer Längsachse angeordnet sein. Dabei ist der Fußpunkt der Sensorspitze, an der Sensorspitze und Federbalken miteinander verbunden sind oder dort ineinander übergehen, an einer Seite neben der mittleren Längsachse angeordnet sein. Bei einer solchen Ausführungsform kann es günstig sein, insbesondere eine entsprechende Ausgleichsmasse am Federbalken vorzusehen, mit der ein Masseausgleich auf der gegenüberliegenden Seite, von der mittleren Längsachse des Federbalkens gesehen, erreichbar ist. Hierfür kann aber auch eine zweite entgegengesetzt geneigte Sensorspitze an einem Federbalken vorhanden sein.
Der Einsatz einer Ausgleichsmasse kann aber auch bei einer unsymmetrischen Masseverteilung in Bezug zur mittleren Längsachse des Federbalkens günstig sein.
Mit einer solchen Ausführung können zwei seitliche gegenüberliegende Wandbereiche einer Vertiefung mit einem Federbalken und den beiden Sensorspitzen detek- tiert werden, ohne dass ein Austausch oder ein Umspannen der Probe bzw. des Federbalkens erforderlich wird.
Neben der Bestimmung von Oberflächentopographien kön- nen weitere physikalische Eigenschaften von Proben bestimmt werden. So können elastische Eigenschaften, die Härte, elektrische und magnetische Eigenschaften bestimmt werden. Elastische Eigenschaften können mit geeigneter Anregung von Kontaktresonanzfrequenzen (Biege-, Torsionsschwingungen) bestimmt werden. Es können auch die bekannten Prinzipien der Atomic Force Acoustic Microscopy (AFAM) , Ultrasonic Force Microscopy (UFM) oder Ultrasonic Atomic Force Microscopy (UAFM) angewandt werden.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
Dabei zeigen:
Figur I A - D vier Beispiele für an einem Federbalken einsetzbarer Sensorspitzen in einer Schnittdarstellung;
Figur 2 drei weitere Beispiele von Sensorspitzen in einer Schnittdarstellung;
Figur 3 in Stufen, das Vorgehen bei einer Annäherung und Detektion;
Figur 4 eine Detektion im Kontakt-Modus und
Figur 5 eine Detektion in einem intermittierenden Modus .
In Figur 1 sind vier Beispiele einer Federbalken- Sensorspitzeneinheit in Schnittdarstellungen gezeigt. Aus den Querschnittsdarstellungen geht eindeutig hervor, dass die sensitiven Bereiche 2' der Sensorspit- zen 2 zu einer Seite versetzt in Bezug zur mittleren Längsachse des Federbalkens 1 angeordnet sind. Die mittlere Längsachse der Federbalken 1 ist mit der vertikal ausgerichteten Linie, im dargestellten Querschnitt des Federbalkens 1, verdeutlicht. Das Bei- spiel A zeigt eine schräg zur Seite gekippte Pyramide. Bei den Beispielen A, C und D sind die Sensor- spitzen abgewinkelt und beim Beispiel B gekrümmt.
Das Beispiel B kann mit einer faserartigen Struktur ausgebildet sein, die wie im allgemeinen Teil der Be- Schreibung erläutert, mit mindestens einem Kohlenstoff-Nanoröhrchen gebildet sein kann.
Eine ausgehend vom Stand der Technik modifizierte Sensorspitze 2 ist mit Beispiel C gezeigt. Hier ist die Sensorspitze 2 aus Silicium, wie auch der Federbalken 1 gebildet. Lediglich der in Richtung zu de- tektierender Oberfläche weisende Teil der Sensorspitze 2 mit dem sensitiven Bereich 2' ist entsprechend abgewinkelt .
Die Sensorspitze 2 des Beispiels D wurde durch Werkstoffabtrag mit einem fokussierten Ionenstrahl (FIB- Technologie) in die gezeigte Form gebracht. Dabei wurde vor der Bearbeitung mit dem Ionenstrahl durch ein Ätzverfahren aus einem Siliciumhalbzeug der Federbalken 1 mit einem daran ausgebildeten Kegelstumpf hergestellt, der mit der gestrichelten Linie angedeutet ist. Die fertige Kontur der Sensorspitze 2 ist mit einer durchgezogenen Linie, nach dem Werkstoffab- trag, verdeutlicht.
In nicht dargestellter Form sind aber auch andere Ausrichtungen der Sensorspitzen 2 am Federbalken 1 möglich. So können Sensorspitzen 2 auch in einem Win- kel von 90° gedreht am Federbalken 1 ausgerichtet sein, so dass dann der sensitive Bereich 2' aus der Zeichnungsebene herausgerichtet darzustellen wäre.
In Figur 2 sind drei weitere Beispiele von Federbal- ken-Sensorspitzeneinheiten Bl bis B3 gezeigt. Auch hier wurden Querschnittsdarstellungen gewählt. Beim Beispiel Bl ist erkennbar, dass der sensitive Bereich 2' der Sensorspitze 2, den Federbalken 1 an einer Seite über dessen Rand hinausragt, aber symmetrisch in Bezug zur mittleren Längsachse des Federbalkens 1 an diesem angebracht ist. Die Beispiele B2 und B3 zeigen entsprechend unsymmetrische Anordnungen von Sensorspitzen 2 an Federbalken 1, bei denen auch die Fußpunkte der Sensorspitzen 2 versetzt zur mittleren Längsachse des Federbalkens 1 in einem Abstand zur Längsachse angeordnet sind. Sie unterscheiden sich durch die Neigungswinkel und die Dimensionierung der Sensorspitzen 2 und außerdem durch die Ausrichtung des Federbalkens 1, bei dem einmal die schmalere Seite vertikal unten bei B2 und einmal vertikal oben bei B3 angeordnet ist.
Für eine Detektion kann so vorgegangen werden, dass wie üblich, zuerst eine Bewegung zur Annäherung an eine Probe 3 der Federbalken 1 mit Sensorspitze 2 durchgeführt wird. Die Bewegung erfolgt dabei in z- Achsrichtung. Der Kontakt der Sensorspitze 2 mit der Probe 3 kann durch die vertikale Auslenkung des Federbalkens 1 in Folge mechanischer Rückstellkräfte in einem horizontalen Bereich der Probe 3 detektiert werden. Dies ist mit den in Figur 3 gezeigten Schritten 1. und 2. verdeutlicht. Nachfolgend werden Sensorspitze 2 mit Federbalken 1 horizontal in x- Achsrichtung auf einen hier vertikal ausgerichteten Oberflächenbereich der Probe 3 zu bewegt (s. Schritt 3.), bis der sensitive Bereich 2' der Sensorspitze 2 diesen Oberflächenbereich berührt oder dieser vom Rasterkraftmikroskop erkannt worden ist. Bei gleichzeitiger Bewegung in z-Achsrichtung - Schritt 4. kann die Bestimmung an dem vertikal ausgerichteten Ober- flächenbereich der Probe 3 in bei Rasterkraftmikroskopen bekannten Modi vorgenommen werden. Bei Anwendung des Kontakt-Modus wirkt beim Auftreffen des sensitiven Bereichs 2' der Sensorspitze 2 auf die Oberfläche des zu detektierenden Oberflächenbereichs am Federbalken 1 eine detektierbare Torsionskraft.
Wird im ebenfalls z.B. aus DE 696 29 475 T2 bekannten „Tapping-Modus" verfahren, bei dem der Federbalken 1 um seine mittlere Längsachse schwingt, kann eine Re- duzierung der vertikalen Schwingungsamplitude erfasst und ausgewertet werden.
Es ist häufig auch sinnvoll, die Bestimmung am selben Oberflächenbereich mehrfach jedoch parallel versetzt zueinander vorzunehmen, um Fehler z.B. durch an einer Probe anhaftende Partikel erkennen und berücksichtigen zu können.
Ein zu detektierender Bereich des Oberflächenbereichs der Probe 3 kann so aus mehreren detektierten Linien bestehen. Er liegt näherungsweise in der y-z-Ebene, die einer vertikalen Fläche/ebene entspricht. Die O- berflache kann so gescannt werden.
Die Federkonstante oder Federkennlinie des Federbalkens 1 beeinflusst die Messgenauigkeit und die Kontaktkraft zwischen Sensorspitze 2 und Oberfläche der Probe 3. Die Steifigkeit in vertikaler Biegerichtung (z-Achse) sollte dabei höher als die in lateraler Richtung sein. Eine ggf. auftretende vertikale Durchbiegung des Federbalkens 1 kann bei der Messung de- tektiert und in geeigneter Form bei der Auswertung kompensiert werden.
Für die Messung einer Torsion des Federbalkens 1 sollte bevorzugt ein ortsaufgelöst messender opti- scher Detektor, z.B. eine Vierquadranten-Photodiode eingesetzt werden.
Die Durchführung eines abgewandelten Kontakt-Modus soll mit Figur 4 veranschaulicht werden. Dabei wird die Sensorspitze 2 während der Detektion in permane- tem Kontakt mit der zu detektierenden Oberfläche gehalten.
Bei konventionellem Vorgehen wird durch eine konstant gehaltene Durchbiegung des Federbalkens 1 eine konstante Kontaktkraft zwischen den sich berührenden Teilen der Sensorspitze 2 und der Probe 3 eingestellt. Tritt bei der Bewegung der Sensorspitze 2 ü- ber den Oberflächenbereich eine Veränderung der Höhe auf, tritt auch eine Veränderung der Kontaktkraft auf, die durch eine Veränderung der Position der Einspannung des Federbalkens 1 kompensiert werden kann. Aus dieser Höhennachführung kann eine quantitative Aussage bezüglich der Oberflächentopographie einer zu detektierenden Fläche bei mehreren durchzuführenden Messläufen getroffen werden.
Bei einer Detektion, wie Sie mit der Erfindung durch- geführt werden kann, sollte aber die Torsion des Federbalkens 1 um seine mittlere Längsachse konstant gehalten werden. Dabei können aus den jeweiligen Torsionswinkeln mit der Federsteifigkeit des Federbalkens 1 um seine mittlere Längsachse die zwischen Sen- sorspitze 2 und Oberfläche der Probe 3 wirkenden Kontaktkräfte berechnet werden.
Eine konstante Torsion kann während der Detektion durch eine Veränderung der Position der Einspannung des Federbalkens 1 in horizontaler x-Achsrichtung, bei der diese nachgeführt wird, eingehalten werden. Der Verlauf der Oberflächenkontur kann so durch Bestimmung der Positionsänderung der Einspannung des Federbalkens 1 erfasst werden.
Der Verlauf bei einem Messlauf ist in Figur 4 mit der punktierten Linie dargestellt.
Bei einer dynamischen Messung wird der nicht fixierte Teil des Federbalkens 1 zu Torsionsschwingungen ange- regt, wie dies in Figur 5 gezeigt ist. Die Anregung der Torsionsschwingungen um die mittlere Längsachse kann dabei mit einem Paar von Piezoaktuatoren, die gegenphasig schwingen und lateral angeordnet sind, erreicht werden. Um hohe Schwingungsamplituden zu er- reichen sollte eine konstante Anregungsfrequenz gewählt werden, die in der Nähe einer Torsionsresonanzfrequenz n-ter Ordnung des frei schwingenden Federbalkens 1 entspricht, zumindest jedoch in der Nähe dieser Frequenz liegt. Ein ggf. vorhandener Einfluss einer unsymmetrischen Masseverteilung kann durch eine entsprechend am Federbalken 1 anzubringende bzw. dort auszubildende Ausgleichsmasse kompensiert werden.
Gelangt im schwingenden Zustand der Federbalken in die Nähe einer zu detektierenden Oberfläche, wobei dann der sensitive Bereich 2' der Sensorspitze 2 auf die Oberfläche bei maximaler Auslenkung (Schwingungsmaximum) auftrifft, reduziert sich die Amplitude der Torsionsschwingungen um einen einstellbaren Faktor und es wird auch die Lage der Phase der Schwingung verschoben. Beim Auftreffen des sensitiven Bereichs 2' der Sensorspitze 2 treten keine Reibkräfte auf, was einen Vorteil im Vergleich zum Betrieb im Kontakt-Modus darstellt.
Eine bei der Detektion erfasste reduzierte Amplitude der Torsionsschwingungen kann durch eine Änderung der Position der Einspannung des Federbalkens 1 in x-oder y- Achsrichtung berücksichtigt werden. Es erfolgt ein Nachführen entsprechend der Oberflächentopographie im detektierten Oberflächenbereich. Durch die Auswertung der sich entsprechend ändernden Positionen der Einspannung des Federbalkens 1 kann der jeweilige Topographieverlauf ermittelt werden. Dies ist mit der punktierten Linie in Figur 5 gezeigt.
Bei der Detektion werden in einem Oberflächenbereich mehrere Linien sukzessive abgefahren. Der detektierte Oberflächenbereich liegt dabei ebenfalls zumindest näherungsweise in der y-z-Ebene (y-z-Ebene = senk- rechte Fläche) .
Parallel dazu kann über die sich verändernde Amplitude der Torsionsschwingungen ein Fehlerbild und mit der erfassten Phasenverschiebung können weitere In- formationen über die jeweilige Probe erhalten werden. U.a. können elastische Eigenschaften der Probe ermittelt werden.
Neben Torsionsschwingungen kann auch durch Anregung von Biegeschwingungen eine horizontale Bewegung der Sensorspitze 2 in y-Achsrichtung erreicht werden. Diese Bewegung ermöglicht die Detektion von stark geneigten Flächen, die näherungsweise zur Längsachse des Federbalkens 1 ausgerichtet sind, durch eine Nachführung der Schwingungsamplitude. Dabei sollte die Querschnittsgeometrie des Federbalkens 1 berücksichtigen, ob Torsions- oder Biegeschwingungen eingesetzt werden.
Bei der Positionierung der Einspannung des Federbalkens 1 im Raum (x-,y- und z-Achsrichtung) sollen so- wohl im Kontakt-Modus, wie auch im dynamischen Modus Piezoaktoren eingesetzt werden, die bei der Beeinflussung der mechanischen Kräfte, die zwischen Sensorspitze 2 und Probe 3 (x-Achsrichtung) sowie bei einer Scanbewegung (y- und z-Achsrichtung) wirken, eine hohe Genauigkeit erreichen. In der Regel werden herkömmlich ausgebildete Rasterkraftmikroskope, die lediglich mit der Erfindung ergänzt sind, diese Anforderungen erfüllen können. Ist an einem herkömmli- chen Rasterkraftmikroskop die Bewegbarkeit insbesondere in z-Achsrichtung nicht ausreichend groß, kann ein sehr genau positionierbarer Probentisch eingesetzt werden. Eine Positioniereinheit kann den erforderlichen Verfahrweg, die Verfahrgeschwindigkeit und die geforderte Positioniergenauigkeit berücksichtigen.

Claims

Patentansprüche
1. Rasterkraftitiikroskop für Untersuchungen an Oberflächen von Proben, mit mindestens einer an einem Federbalken angeordneten Sensorspitze, deren sensitiver Bereich in einem Abstand zum Feder- balken angeordnet ist, dabei der an einer Stirnseite gehaltene und mit mindestens einem Aktua- tor in Schwingung versetzbare Federbalken mit Sensorspitze (n) und Probe relativ zueinander entlang mindestens einer Achse bewegbar sind und ein optisches Messsystem vorhanden ist; dadurch gekennzeichnet, dass der sensitive Bereich (2' ) einer Sensorspitze (2) und/oder der Fußpunkt einer Sensorspitze (2) am Federbalken (1) in einem Abstand und neben der mittleren Längsachse des Federbalkens (1) angeordnet ist und/oder die Sensorspitze (n) (2) in Bezug zur mittleren Längsachse des Federbalkens (1) in einem Winkel < 90° abgewinkelt oder gekrümmt ist. 2. Rasterkraftmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der sensitive Bereich (2') eine äußere Kante des Federbalkens (1) im nicht fixierten Bereich des Federbalkens (1) überragt.
3. Rasterkraftmikroskop nach Anspruch 1 oder 2, da- durch gekennzeichnet, dass die Sensorspitze (n)
(2) in Bezug zur mittleren Längsachse des Federbalkens (1) in einem schräg geneigten Winkel ausgerichtet oder abgewinkelt ist/sind. destens ein zur Anregung von Schwingungen geeigneter Aktuator vorhanden ist
11. Rasterkraftmikroskop nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Federbalken (2) und/oder seiner Einspannung mindestens ein zur Anregung von Torsionsschwingungen um die mittlere Längsachse des Federbalkens (1) geeigneter Aktuator vorhanden ist.
12. Rasterkraftmikroskop nach einem der vorhergehen- den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei gegenphasig betreibbare Piezoaktuatoren vorhanden sind.
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