-
Die
Erfindung betrifft eine Meßanordnung
zur kombinierten Abtastung und Untersuchung von mikrotechnischen,
elektrische Kontakte aufweisenden Bauelementen, insbesondere von
komplexen Halbleiterbauelementen wie z. B. integrierten Schaltungen.
-
Zur
Untersuchung bzw. zum Proben von mikroelektronischen Bauelementen
sind Vorrichtungen bekannt, die als "Prober" oder "Probe Stations" bezeichnet werden und wenigstens eine
Meßanordnung
mit einem einseitig eingespannten Biegebalken bzw. Cantilever aufweisen,
an dessen freiem Ende eine sehr feine und elektrisch leitende Probenspitze ausgebildet
ist. Ziel beim Proben ist es, die Probenspitze auf ausgewählten elektrischen
Kontakten oder Leiterbahnen der Bauelemente zu plazieren, um dann
durch Anlegen von elektrischen Spannungen oder das Hindurchleiten
von elektrischen Strömen
zu überprüfen, ob
das Bauelement die gewünschten Funktionen
besitzt oder ob Kurzschlüsse
und/oder sonstige Defekte vorhanden sind.
-
Wegen
der immer kleiner werdenden Dimensionen mikrotechnischer Bauelemente
liegen die für derartige
Tests zur Verfügung
stehenden Leiterbahnen der Bauelemente häufig sehr eng beieinander. Kontakte
und Leiterbahnen mit Breiten und Abständen von 0,25 μm und weniger
sind keine Seltenheit. Ein daraus resultierendes Problem besteht
darin, die einen Durchmesser von z. B. 100 nm aufweisende Probenspitze
exakt auf derartige Kontakte oder Leiterbahnen aufzusetzen.
-
Die
bisher auf dem Markt befindlichen Vorrichtungen der beschriebenen
Art weisen eine zur Montage der Meßanordnung bestimmte Halterung auf,
die manuell oder motorisch in drei Richtungen (x, Y und Z) bewegbar
ist. Zur Erleichterung bzw. Ermöglichung
der Positionierung der Probenspitze dient in der Regel ein Mikroskop.
Zur Sichtbarmachung von Mikro- und Nanostrukturen reichen optische
Mikroskope jedoch nicht aus, und der Einsatz von Elektronenmikroskopen
wäre mit
hohen Kosten und zahlreichen Unbequemlichkeiten beim Proben (z.
B. Durchführung
der Messungen im Vakuum) verbunden.
-
Zur
Vermeidung dieser Nachteile sind verschiedenste Vorrichtungen bekannt
geworden. Das Problem der mitunter unterschiedlich benötigten Auflösung innerhalb
einer Messung wird in der
DE
101 10 933 A1 dadurch gelöst, dass eine Mikrosonde der eingangs
beschriebenen Art gesonderte Messtaster an zwei Abschnitten des
Auslegers aufweist, welcher der Abtastung der Oberfläche des
zu testenden Bauteils dient. Beide Auslegerabschnitte sind mittels
Piezowiderstandselemente über
eine Heizeinrichtung miteinander verbunden, so dass über die
Konfiguration der Heizungseinrichtung die Auslenkung des einen Abschnitts
auf den anderen übergehen
kann, sofern die Auflösung
gewechselt werden muss. Die Auslenkung selbst wird über die Änderung
der Widerstandswerte der Widerstandselemente erfasst, wie beispielsweise
auch in der
US 6,383,823
B1 oder der
DE
101 06 854 A1 in verschiedenen Ausgestaltungen beschrieben
ist.
-
Die
Verwendung von piezoresistiven Auslegern und Auslegern mit einer
Heizungseinrichtung für Mikrosonden
wird auch in der Publikation von B. W. Chui et al „Low-Stiffness
Silicon Cantilevers with Integrated Heaters and Piezoresistive Sensors
for High-Density AFM Thermomechanical Data Storage", Journal of Microelectromechanical
Systems Vol. 7, Nr. 1, March 1998, be schrieben. In der JP 2002/66
657 A hingegen ist anstelle der Piezowiderstandselemente ein Metall-Layer
auf dem Silizium-Ausleger
vorgesehen, dessen thermische Ausdehnung von der des Siliziums verschieden
ist, so dass die Auslenkung über
die unterschiedliche Ausdehnung bestimmbar ist.
-
Auch
die Mikrosonden in der
US
6,079,255 A weisen zwei Auslenkungsabschnitte auf, die
miteinander derart mechanisch gekoppelt sind, dass der zweite Auslenkungsabschnitt
einer Auslenkung des ersten Abschnitts folgt, wodurch die aufwendigen und
teuren Mikrosondensysteme überwunden
werden sollten.
-
Z.
B. von T. Akiyama et al in "Fast
driving technique for integrated thermal bimorph actuator toward
high-throughput atomicforce microscopy", Rev. of Scientific Instruments, Vol.
73, Nr. 7, July 2002 und von K. Krieg, R. Qi, D. Thomson und G.
Bridges in "Electrical
Probing of Deep Sub-Micron ICs Using Scanning Probes", IEEE Proc. Int.
Reliability Phys. Symp. IRPS (2000) sind Vorrichtungen bekannt,
bei denen die Meßanordnung
mit ihrer elektrisch leitenden Spitze in ein rasterndes, atomares
Kraftmikroskop (Atomic Force Microscopy = AFM) eingebaut ist. Dadurch
wird eine sowohl für
AFM-Zwecke als auch für
Proben-Zwecke geeignete,
kombinierte Vorrichtung geschaffen. Ein Vorteil dabei ist, daß dieselbe Meßanordnung
in einem ersten Verfahrensschritt zur Abtastung, Aufzeichnung und
elektronischen Speicherung eines Rasterbildes der zu untersuchenden Oberfläche des
Bauelements und unter Benutzung der im ersten Verfahrensschritt
erhaltenen Bilddaten in einem zweiten Verfahrensschritt für das Proben dieser
Oberfläche
verwendet werden kann. Da AFM-Verfahren
heute die Abbildung der Topologie eine Oberfläche mit einer Auflösung von
50 nm und weniger ermöglichen,
kann die Probenspitze beim Proben mit einer entsprechend hohen Genauigkeit positioniert
werden, ohne daß eine
optische Betrachtung der Oberfläche
erforderlich ist. Die Aufzeichnung der Oberflächen-Topologie erfolgt dabei
dadurch, daß der
Abstand der Probenspitze von der Oberfläche bei der Abtastung konstant
gehalten wird (sog. "constant
height mode") und
die daraus resultierenden Auslenkungen des Biegebalkens mit Hilfe eines
von diesem reflektierten Laserstrahls ermittelt werden.
-
Die
bekannten Vorrichtungen dieser Art genügen allerdings noch nicht allen
Anforderungen, die an eine auch als Prober verwendete Vorrichtung
gestellt werden. Für
derartige Vorrichtungen sind vor allem möglichst kleine Meßanordnungen
und zugehörige
Geräte
erwünscht,
da meistens wenigstens zwei, häufig
aber auch mehr als zwei Probenspitzen gleichzeitig auf Kontakten
oder Leiterbahnen abgesetzt werden müssen, die z. B. innerhalb eines
Oberflächenbereichs
von 1 μm2 oder weniger angeordnet sind und lichte
Abstände
von z. B. 200 nm oder weniger aufweisen. Die bisher zur Messung
der Auslenkung des Biegebalkens verwendeten Laseroptiken machen
derartige Untersuchungen auf engstem Raum nahezu unmöglich. Weiter
ist es erwünscht,
einerseits die Probenspitze beim Proben mit einer gewissen Mindestkraft
auf die Kontakte, Leiterbahnen usw. aufzusetzen, damit sie auf diesen
befindliche Oxidschichten od. dgl. durchdringen kann, andererseits
die Auflagekraft aber auch zu begrenzen, um die Kontakte, Leiterbahnen
usw. nicht zu beschädigen.
Die Einstellung einer solchen Auflagekraft ist bei Anwendung der
in Probern üblicherweise
verwendeten, meistens aus einem dünnen Wolframdraht bestehenden
Biegebalken nicht möglich.
-
Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung das
technische Problem zugrunde, die genannten Schwierigkeiten durch die
Schaffung einer Meßanordnung
zu beseitigen, die sowohl zur Abtastung nach dem AFM-Verfahren als
auch zum Proben von Bauelementen durch Anwendung elektrischer Ströme und/oder
Spannungen geeignet ist und daher insbesondere zum Einbau in eine
für beide
Zwecke bestimmten Vorrichtung dienen kann.
-
Zur
Lösung
dieses technischen Problems dienen die Merkmale der Ansprüche 1 und
10.
-
Die
Erfindung bringt den Vorteil mit sich, daß durch den Einsatz des erfindungs gemäßen, mit
einem piezoresistiven Kraftsensor versehenen Biegebalkens die bisher
zum Proben verwendete, teure und empfindliche Laseroptik vollständig vermieden werden
kann. Dadurch ergeben sich ein vereinfachter Aufbau und eine deutliche
Kostenersparnis für
die Gesamtvorrichtung. Vorteilhaft ist ferner die einfache elektrische
Kalibrierung des piezoresistiven Sensors im Vergleich zu den aufwendigen,
meistens mehrere Minuten dauernden Handhabungen, die zur genauen Einstellung
eines Laserstrahls auf die sehr kleine Reflektionsfläche des
Biegebalkens erforderlich sind. Weiter ist es auch vorteilhaft,
daß mit
der erfindungsgemäßen Meßanordnung
das Proben ohne weiteres an bis zu 100 °C heißen Oberflächen durchgeführt werden
kann, wie dies bei der Fehleranalyse von Halbleitern allgemein üblich ist,
weil die bei der Anwendung einer Laseroptik zu berücksichtigenden, durch
Wärmekonvektion
verursachten Schwankungen der Brechungsindizes entfallen und die
Temperaturabhängigkeit
des piezoresistiven Effekts mit vergleichsweise einfachen Mitteln
berücksichtigt
werden kann. Vorteilhaft ist schließlich auch, daß die Auflagekraft
der Probenspitze beim Proben mit Hilfe des piezoresistiven Kraftsensors
leicht meßbar
und mit Hilfe des Heizdraht-Aktuators auch leicht einstellbar ist. Abgesehen
davon ermöglicht
die Erfindung den Aufbau der Meßanordnung
derart, daß die
Probenspitzen mehrerer Meßanordnungen
problemlos mit kleinen Abständen
auf derselben Oberfläche
des Bauelements positioniert werden können.
-
Weitere
vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
-
Die
Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen
an Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es
zeigen:
-
1 die
Unteransicht einer erfindungsgemäßen Meßanordnung;
-
2 bis 4 Schnitte
längs der
Linien II-II bis IV-IV der 1, wobei
in 4 eine Probenspitze der Einfachheit halber weggelassen
wurde;
-
5 eine
Draufsicht auf die Meßanordnung nach 1;
-
6 schematisch
die Anwendung der Meßanordnung
nach 1 bis 4;
-
7 schematisch
eine Schaltungsanordnung für
die Meßanordnung
nach 6;
-
8 eine
Resonanzkurve für
einen Biegebalken der Meßanordnung
nach 1;
-
9 eine
mit der Schaltungsanordnung nach 7 erhaltene
Meßkurve;
-
10 die
Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Meßanordnung;
und
-
11a bis 11g schematisch
die Herstellung der Meßanordnung
nach 1 bis 4;
-
Nach 1 bis 4 enthält eine
erfindungsgemäße Meßanordnung
einen einseitig eingespannten Biegebalken bzw. Cantilever 1 mit
einem hinteren Endabschnitt 1a und einen vorderen Endabschnitt 1b.
Der hintere Endabschnitt 1a ist fest an einem Grundkörper 2 befestigt
bzw. in diesem eingespannt, während
der vordere Endabschnitt 1b frei angeordnet ist. Der Endabschnitt 1b kann
daher unter Verbiegung des Biegebalkens 1 in Richtung eines Doppelpfleils
v (2) auf- und abbewegt werden bzw. schwingen. Die
Richtung des Pfeils v entspricht dabei z. B. der Z-Achse eines gedachten
Koordinatensystems, während
die dazu senkrechten Richtungen dessen X- und Y-Achsen entsprechen.
Außerdem
sind die untere Oberfläche
des Biegebalkens 1 und die mit ihr koplanare untere Oberfläche des Grundkörpers 2 mit
einer gemeinsamen, isolierenden Schutzschicht 3 versehen.
-
Die
Endabschnitt 1b weist auf seiner Unterseite eine parallel
zum Doppelpfeil v nach unten ragende, kegelartig ausgebildete Probenspitze 4 auf, deren äußerstes,
spitz zulaufendes Ende 4a einen Durchmesser von z. B. 50–200 nm
besitzt. Die Probenspitze 4 besteht aus einem leitenden
Material wie z. B. Aluminium, Gold oder einem anderen gut leitenden
Material und ist durch die Schutzschicht 3 vom übrigen Teil
des Biegebalkens 1 elektrisch isoliert.
-
Gemäß 1 und 2 ist
zwischen den beiden Endabschnitten 1a und 1b und
insbesondere nahe dem festliegenden Endabschnitt 1a ein
piezoresistiver Sensor 5 in den Biegebalken 1 eingelassen. Mit
einem solchen Sensor 5 läßt sich unter anderem die lokal
auf den Biegebalken 1 wirkende mechanische Spannung berechnen,
da sich der Widerstand des Sensors 5 nach der Formel ΔR/R
= δlΠl + δtΠt ändert.
Darin bedeuten R den Widerstand des Sensors 5, ΔR die Widerstandsänderung, δIl 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 5 an einem Ort des Biegebalkens 1 angeordnet,
wo sich die höchsten
mechanischen Spannungen ergeben, um ein hohes Signal/Rausch-Verhältnis zu
erhalten.
-
Der
vordere Endabschnitt 1b ist ferner mit einem Heizdraht-Aktuator 6 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 1 im Bereich des Endabschnitts 1b bewirkt.
-
Gemäß 1 sind
mit dem Sensor 5 zwei in Serie liegende, erste Zuleitungen 7a und 7b verbunden,
die wie die Probenspitze 4 auf der Unterseite des Biegebalkens 1 angeordnet
und mit zwei auf der Unterseite des Grundkörpers 2 angeordneten
Kontaktflächen
("pads") 8a und 8b leitend
verbunden sind. Entsprechend ist der Heizdraht-Aktuator 6 an zwei mit ihm
in Serie liegende, zweite Zuleitungen 9a und 9b angeschlossen,
die mit Kontaktflächen 10a und 10b verbunden
und wie die Kontaktflächen 8a, 8b an
der Unterseite des Grundkörpers 2 angeordnet sind.
Schließlich
ist eine dritte Zuleitung 11 vorhanden, die von einer auf
der Unterseite des Grundkörpers 2 liegenden
Kontaktfläche 12 ausgeht,
längs der Unterseite
des Biegebalkens 1 zur Probenspitze 4 führt und
mit dieser leitend verbunden ist. Dabei versteht sich, daß die Zuleitungen 7a, 7b, 9a und 9b und die
mit ihnen verbundenen Kontaktflächen 8a, 8b, 10a und 10b sowohl
gegeneinander als auch gegen die Probenspitze 4 sowie deren
Zuleitung 11 und Kontaktfläche 12 elektrisch
isoliert angeordnet bzw. ausgebildet sind. Zu diesem Zweck sind
der Sensor 5 und die ersten Zuleitungen 7a und 7b,
wie insbesondere 3 zeigt, vorzugsweise im Grundkörper 2 versenkt
angeordnet und erst im Bereich der Kontaktflächen 8a, 8b durch
die Schutzschicht 3 hindurch nach außen geführt, während die Zuleitung 11 sowie die
Kontaktflächen 10a, 10b und 12 durchweg
auf einer freien Oberfläche 14 der
Schutzschicht 3 angeordnet sind. Dadurch werden auf einfache
Weise unerwünschte
Kontakte im Bereich der Kreuzungsstellen zwischen den verschiedenen
Zuleitungen bzw. dem Sensor 5 vermieden.
-
Die
Zuleitung 11 und die Kontaktflächen 8a, 8b, 10a, 10b und 12 sowie
die Probenspitze 4 bestehen vorzugsweise aus einem gut
leitenden Metall wie z. B. Aluminium, Gold, Titan oder Legierungen
davon. Dagegen bestehen der Biegebalken 1 und der Grundkörper 2 vorzugsweise
aus einem einstückig hergestellten
Siliciumkörper
und die Schutzschicht 3 aus Siliciumdioxid (SiO2). Die in dem Grundkörper 2 versenkt angeordneten
Zuleitungen 7a, 7b können z. B. aus stark n- und/oder
p-leitenden Zonen (n+ bzw. p+)
im Sicicium-Grundmaterial bestehen. Schließlich sind der den Aktuator 6 bildende
Heizdraht und die Zuleitungen 9a, 9b vorzugsweise
in den Biegebalken 1 bzw. Grundkörper 2 implantierte
Mikrodrähte,
die z. B. durch p+- oder n+-leitende
Zonen mit den Kontaktflächen 10a, 10b verbunden
sind.
-
An
der Oberseite des Biegbalkens 1 ist, wie u. a. 5 zeigt,
ein Streifen 15 aus einem Material angebracht, der einen
im Vergleich zur Schutzschicht 3 bzw. zum Grundmaterial
des Biegebalkens stark unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt,
wie dies z. B. für
Aluminium gilt. Der Streifen 15 besteht daher z. B. aus
einem 1 μm
bis 3 μm
dicken Aluminiumfilm.
-
Die
beschriebene Meßanordnung
kann gemäß 6 sowohl
zur rasterförmigen
Abtastung einer Oberfläche 16 eines
zu untersuchenden Bauelements 17 nach der AFM-Methode als
auch zur Untersuchung bzw. zum Proben der Funktionsfähigkeit des
Bauelements 17 verwendet werden. Zu diesem Zweck wird das
Bauelement 17 auf einem Tisch 18 einer in 6 grob
schematisch dargestellten Vorrichtung abgelegt, wobei der Tisch 18 mittels
eines Z-Antriebs 19 in Richtung eines Pfeils Z, der die Z-Achse eines gedachten
Koordinatensystems andeutet, auf- und abbewegt werden kann. Der
Grundkörper 2 wird
dagegen bei oberhalb des Bauelements 17 angeordneter Probenspitze 4 in
einer Halterung 20 eingespannt, die in einer zum Pfeil
Z senkrechten XY-Ebene des gedachten Koordinatensystems mit je einem
nur schematisch angedeuteten, piezoelektrischen X- und Y-Antrieb 21 bzw. 22 eines üblichen X/Y-Koordinatentisches
hin- und herbewegbar ist. Gleichzeitig wird gemäß 7 der Heizdraht-Aktuator 6 z.
B. mittels der Kontaktfläche 10b an
eine Stromquelle 23 angeschlossen und mit seiner Kontaktfläche 10a an
Masse gelegt. Außerdem
wird der piezoresistive Sensor 5 vorzugsweise in eine nur schematisch
angedeutete Brückenschaltung 24 geschaltet,
von der eine für
die Widerstandsänderung ΔR/R des Sensors 5 bzw.
die mechanische Spannung des Biegebalkens 1 charakteristische
elektrische Spannung abgenommen wird. Diese elektrische Spannung
wird einem ersten Eingang eines Vergleichers 25 zugeführt.
-
Die
Stromquelle 23 besitzt einerseits einen an den Ausgang
eines Wechselspannungsgenerators 26 angeschlossenen Wechselstromerzeuger 23a,
andererseits einen an den Ausgang eines Reglers 27 angeschlossenen
Gleichstromerzeuger 23b. Die Ausgangsspannung des Wechselspannungsgenerators 26 wird
auch einem zweiten Eingang des Vergleichers 25 als Referenzspannung
zugeführt. Ein
Ausgang des Vergleichers 25 ist schließlich mit einem Eingang des
Reglers 27 verbunden.
-
Vor
der Untersuchung des Bauelements 17 wird zunächst dessen
Oberfläche 16 mit
Hilfe des AFM-Verfahrens und vorzugsweise im sogenannten "Nicht Kontakt"-Modus, d.h. berührungsfrei abgetastet, um dadurch
ein Bild der Oberfläche 16 und
die genauen Koordinaten der verschiedenen Kontaktflächen und
Leiterbahnen des Bauelements 17 zu erhalten, die in der
Regel über
die sonst meistens planare Oberfläche 16 etwas vorstehen.
Diese Abtastung kann z. B. wie folgt durchgeführt werden:
Nachdem das
Bauelement 17 auf dem Tisch 18 plaziert worden
ist, wird dieser zunächst
parallel zur Z-Richtung bis zum Anschlag der Oberfläche 16 an die
Probenspitze 4 bewegt und dann um z. B. 0,5 μm wieder
leicht zurückgezogen,
damit die Probenspitze 4 sicher oberhalb der höchsten Erhebung
der Oberfläche 16 liegt.
Mit Hilfe des Wechselspannungserzeugers 23a wird dem Heizdraht-Aktuator 6 dann
ein Wechselstrom zugeführt,
um ihn periodisch zu erwärmen.
Dadurch ergeben sich unterschiedliche Wärmedehnungen für den auf
dem Biegebalken 1 befestigten Aluminiumstreifen 15 einerseits
und das angrenzende Material des Biegebalkens 1 bzw. der Schutzschicht 3 andererseits,
so daß der
Biegebalken 1 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 6 mit Hilfe des Gleichstromerzeugers 23b zusätzlich ein
Gleichstrom derart zugeführt,
daß der
Biegebalken 1 eine gleichförmige Biegung parallel zur
Z-Achse und in Richtung der Oberfläche 16 des Bauelements 17 erfährt und
sich die Probenspitze 4 der Oberfläche 16 bis auf einen
gewünschten kleinen
Wert annähert,
ohne sie zu berühren.
Die durch die Gleichstromkomponente herbeigeführte Verbiegung des Biegebalkens 1 in
Z-Richtung kann z. B. bis zu einigen Mikrometern betragen.
-
Die
Probenspitze 4 schwingt nun mit der Frequenz des anregenden
Wechselstroms bzw. der vom Wechselspannungserzeuger 26 abgegebenen Wechselspannung,
wobei der Biegebalken 1 als Feder und die Probenspitze 4 als
Masse eines schwingungsfähigen
Systems betrachtet werden kann. Die Anregung dieses Schwingungssystems
erfolgt vorzugsweise mit der Resonanzfrequenz fo dieses Schwingungssystems.
Im ungedämpften
Zustand, d. h. bei großem
Abstand der Probenspitze 4 von der Oberfläche 16,
würde das
vom Sensor 5 gemessene Signal dem anregenden Signal im
wesentlichen ohne Phasenverschiebung folgen.
-
Tatsächlich wird
die dem Heizdraht-Aktuator 6 zugeführte Gleichspannungskomponente
jedoch so gewählt,
daß sich
die Probenspitze 4 in so großer Nähe der Oberfläche 16 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 1 werden
dadurch gedämpft
mit der Folge, daß das
vom Sensor 5 erzeugte Signal, wie eine Kurve 30 in 8 schematisch
zeigt, dem anregenden Signal um einen bestimmten Phasenwinkel nacheilt.
Die Größe der sich
ergebenden Phasenverschiebung Δφ ist vom
mittleren, in Z-Richtung gemessenen Abstand der Probenspitze 4 von
der Oberfläche 16 abhängig. Nach 8 ist
die Phasenverschiebung Δφ um so größer, je
kleiner dieser Abstand wird.
-
Die
Probenspitze 4 wird nun rasterförmig in X- und Y-Richtung über die
Oberfläche 16 geführt, wie
in 9 beispielsweise und in einem übertrieben großen Maßstab für die X-Richtung
angedeutet ist. Trifft sie dabei auf eine Erhebung 16a oder
Vertiefung 16b, dann ändert
sich die Dämpfung
und damit die Phasenverschiebung Δφ zwischen
den vom Wechselspannungserzeuger 26 und vom Sensor 5 abgegebenen
Spannungen. Die jeweilige Phasenverschiebung Δφ wird in dem Vergleicher 25,
der vorzugsweise als PPL-Baustein (Phase-Locked Loop) ausgebildet
ist, gemessen. Der sich ergebende Wert wird vom Vergleicher 25 dem
vorzugsweise als PID-Regler ausgebildeten Regler 27 zugeführt. Dieser
steuert daraufhin den Gleichstromerzeuger 23b so, daß die Probenspitze 4 mehr
oder weniger angehoben oder abgesenkt und dadurch der Abstand zwischen
ihr und der Oberfläche 16 des
Bauelements 17 konstant gehalten wird, was dem mit konstantem
Abstand arbeitenden AFM-Verfahren entspricht. Die Teile 5, 25, 27, 23b und 6 bilden
somit einen geschlossenen Regelkreis, wobei der Sensor 5 den
jeweiligen Istwert ermittelt, während
der Regler 27 einen vorgegebenen Sollwert für den Abstand
der Probenspitze 4 vom Bauelement 17 vorgibt.
-
Das
Ergebnis einer derartigen Regelung ist im oberen Teil der 9 schematisch
dargestellt, in der längs
der Abszisse der Ort der Probenspitze 4 z. B. in Richtung
der X-Achse und längs
der Ordinate der dem Heizdraht-Aktuator 6 zugeführte Gleichstrom
aufgetragen sind. Ein kleiner (bzw. großer) Wert des Gleichstroms
in einem Kurvenabschnitt 31 (bzw. 32) bedeutet
dabei eine geringe (bzw. starke) Verbiegung des Biegebalkens 1 in
Richtung des Tisches 18 (6) gegenüber einer
vorgewählten Nullstellung
Io, was gleichbedeutend ist z. B. mit der Erhebung 16a bzw.
Vertiefung 16b der Oberfläche 16 in Z-Richtung.
Die Kurvenabschnitte 31, 32 vermitteln daher ein
Positivbild der abgetasteten Oberflächentopologie des abgetasteten
Bauelements 17.
-
Die
Ausgangssignale des Reglers 27 oder den Stromwerten in 9 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 33 (7)
und nach geeigneter Verarbeitung als "Bild"-Daten
einem Datenspeicher 34 zugeführt. Aus diesen Daten und ihren
Adressen ist dann ersichtlich, wo genau die für das nachfolgende Proben des
Bauelements 17 benötigten
Kontaktflächen,
Leiterbahnen oder dgl. angeordnet sind.
-
Bei
der nun folgenden Untersuchung des Bauelements 17 auf seine
Funktionsfähigkeit
wird die anhand der 6 und 7 beschriebene
Vorrichtung ebenfalls eingesetzt. Hierzu wird der piezoresistive
Sensor 5 bzw. die Brückenschaltung 24 mittels eines
Umschalters 35 an eine Meßvorrichtung 36 angeschlossen,
die z. B. in digitaler Form unmittelbar die mechanische Spannung,
unter der der Biegebalken 1 gerade steht, oder die Kraft
anzeigt, mit der die Probenspitze auf die Oberfläche 16 des Bauelements 17 drückt. Außerdem wird
die Probenspitze 4 bzw. die Kontaktfläche 12 (1)
an eine Prüfschaltung 37 angeschlossen.
-
Zu
Beginn einer jeden Probenphase für
das Bauelement 17 werden die im Datenspeicher 34 vorliegenden
Adressen ausgewählter
Kontakte des Bauelements 17 zur Ansteuerung des X- und
Y-Antriebs 21 bzw. 22 (6) für die Meßanordnung
nach 1 bis 4 verwendet. Die Probenspitze 4 wird
dann mit Hilfe der X- und Y-Antriebe 21, 22 in
diejenige Position gefahren, an der eine Untersuchung stattfinden soll,
worauf der Z-Antrieb 19 eingeschaltet und das Bauelement 17 bis
zum Anschlag an die Probenspitze 4 bewegt wird. Dabei wird
der Z-Antrieb 19 so lange betätigt, bis die Meßvorrichtung 36 eine
vorgewählte
Spannung des Biegebalkens 1 bzw. eine vorgewählte Auflagekraft
anzeigt, mit der die Probenspitze 4 auf die Oberfläche 16 bzw.
eine ausgewählte Kontaktfläche oder
dgl. des Bauelements 17 drückt. Diese mit Hilfe der Meßvorrichtung 36 eingestellte und
mittels des Sensors 5 signalisierte Auflagekraft wird so
gewählt,
daß eine
gute elektrische Verbindung hergestellt wird und die Probenspitze 4 etwa vorhandene
Oxidschichten od. dgl. durchdringt, die sich auf der Oberfläche 16 bzw.
den Kontakten usw. des Bauelements 17 gebildet haben könnten. Die Spannungsquelle 23 bleibt
beim Proben ausgeschaltet.
-
Nach
dem Einstellen der gewünschten
Auflagekraft von z. B. 70–100 μN kann das
Proben des Bauelements 17 durchgeführt werden, zu welchem Zweck
mittels der Prüfschaltung 37 geeignete
Ströme
oder Spannungen an die elektrisch leitende Probenspitze 4 angelegt
werden.
-
Das
Proben des Bauelements 17 kann mit Gleich- oder Wechselströmen bzw.
-spannungen erfolgen. Vorzugsweise wird das Proben mit Hilfe von hochfrequenten
Signalen mit im MHz-Bereich liegenden Frequenzen durchgeführt. Um
dabei das Auftreten von parasitären
Signalen und das Meßergebnis verfälschenden
Signalverzerrungen zu vermeiden, ist es erforderlich, die Probenspitze 4 und
die zu ihr führende
Leiterbahn 11 abzuschirmen. Dies wird erfindungsgemäß dadurch
erreicht, daß an
der Unterseite des Biegebalkens 1 gemäß 1 bis 4 beidseitig
der Leiterbahn 11 zwei zu dieser parallele Leiterbahnen 38a, 38b angebracht
werden, deren eine Enden am Endabschnitt 1b durch einen
dicht um den Fußpunkt
der elektrisch leitenden Probenspitze 4 herum gelegten
Leitungsabschnitt 38c verbunden und deren andere Enden
an mit der Unterseite des Grundkörpers 2 verbundene
Kontaktflächen 39a, 39b angeschlossen
sind. Die Kontaktflächen 39a, 39b werden
beim Proben vorzugsweise an Masse gelegt, so daß die Leiterbahnen 38a, 38b und
der Leitungsabschnitt 38c nach Art einer Koaxialleitung wirken,
wobei die Leiterbahn 11 den sogenannten Innenleiter bildet,
während
die Leiterbahn 38a, 38b zusammen mit dem Leitungsabschnitt 38c den
sogenannten Außenleiter
darstellt. Außerdem
kann bei Bedarf durch entsprechende Bemessung und Ausbildung der
Leiterbahnen 38a, 38b und 11 vorgesehen werden,
daß sich
ein gewünschter
Wellenwiderstand ergibt.
-
Ein
besonderer Vorteil der beschriebenen Vorrichtung besteht darin,
daß die
den Biegebalken 1 enthaltende Meßanordnung (1)
alle sowohl zur rasterförmigen
Abtastung als auch zur Untersuchung der Bauelemente 17 erforderlichen
Mittel in sich vereinigt und der Sensor 5 beim Proben des
Bauelements 17 zusätzlich
als Kraftmesser verwendet werden kann.
-
In
der Regel ist es erwünscht,
die Untersuchung des Bauelements 17 dadurch zu bewirken, daß gleichzeitig
wenigstens zwei Probenspitzen 4 auf eng nebeneinander liegende
Kontaktbahnen oder dgl. des Bauelements 17 gedrückt werden.
In diesem Fall wird die beschriebene Vorrichtung mit entsprechend
vielen Meßanordnungen
nach 1 bis 4 ausgerüstet, wobei die einzelnen Meßanordnungen
mit separaten X- und Y-Antrieben 21, 22 unabhängig voneinander
bewegbar sind. Um dabei alle vorhandenen Probenspitzen 4 mit
annähernd derselben
Auflagekraft auf die Oberfläche 16 des Bauelements 17 auflegen
zu können,
werden die Heizdraht-Aktuatoren 6 der verschiedenen Meßanordnungen
bei der Durchführung
einer Untersuchung mit Hilfe der Gleichstromerzeuger 23b zur
derartigen Erwärmung
der verschiedenen Biegebalken 1 verwendet, daß sich die
Probenspitzen 4 individuell in Z-Richtung bewegen und alle
Probenspitzen 4 mit derselben Auflagekraft an das Bauelement 17 angelegt
werden. Der Wechselstromerzeuger 23a bleibt auch in diesem
Fall beim Proben ausgeschaltet. Natürlich kann der Heizdraht-Aktuator 6 auch
beim Vorhandensein von nur einer Probenspitze 4 zur Einstellung
von deren Auflagekraft verwendet werden.
-
Damit
möglichst
viele Probenspitzen 4 gleichzeitig auf das Bauelement 17 aufgelegt
werden können,
ohne aneinander zu stoßen,
wird die Meßanordnung
vorzugsweise entsprechend 10 ausgebildet.
Bei dieser Variante, die im übrigen
dem Ausführungsbeispiel
nach 1 bis 4 entspricht, ist eine Probenspitze 41 nicht
nur am äußeren Ende
eines Biegebalkens 42 ausgebildet, sondern mit ihrer Achse 43 auch
unter einem stumpfen Winkel α zu
einer Mittelachse 44 des Biegebalkens 43 angeordnet.
Dadurch können
mehrere Probenspitzen 41 und 41a, wie in 10 angedeutet
ist, stärker
an einander angenähert
werden, als dies bei der aus 2 ersichtlichen
Anordnung möglich
wäre.
-
Die
Herstellung der Meßanordnung
mit dem Biegbalken 1 bzw. 42 ist schematisch in 11a bis 11g angedeutet
und kann mit den bei der Cantilever-Herstellung bekannten Verfahren
erfolgen [z. B. T. Gotszalk, J. Radojewski, P. B. Grabiec, P. Dumania,
F. Shi, P. Hudek und I. W. Rangelow in "Fabrication of multipurpose piezoresistive
Wheatstone bridge cantilevers with conductive microtips for electrostatic
and scanning capacitance microscopy", J. Vac. Sci. Technol. B 16(6), Nov/Dec
1998, S. 3948–3953
oder I. W. Rangelow, P. B. Grabiec, T. Gotszalk und K. Edinger in "Piezoresistive SXM
Sensors", SIA 1162,
2002, Seiten...]. Als Ausgangsmaterial wird gemäß 11a vorzugsweise
eine beidseitig polierte, n-leitende Siliciumwafer 45 bzw.
-scheibe verwendet, deren planparallele Breitseiten als (100)-Flächen ausgebildet
sind und die zunächst rundum
mit einer thermisch aufgebrachten SiO2-Schutzschicht 46 versehen
ist. Die Bearbeitung der Siliciumscheibe 45 erfolgt z.
B. nach der sogenannten MESA-Technik.
-
Im
Ausführungsbeispiel
wird zunächst
der auf der oberen Breitseite befindliche Teil der Schutzschicht 46 durch Ätzen entfernt,
wobei an einer ausgewählten
Stelle ein als Maske 47 dienender Abschnitt stehen gelassen
wird. Die freigelegte Substratoberfläche wird dann (11b) einem anisotropen Naßätzschritt unterworfen, wodurch
die Maske 47 unterätzt
wird und eine konische Spitze bzw. Insel 48 entsteht. Anschließend wird
die Oberfläche
der Siliciumscheibe 45 mit einer z. B. 1 μm dicken SiO2-Schicht 49 belegt,
wie in 11c angedeutet ist, die nur
einen kleinen, links von der Spitze 48 liegenden Abschnitt
der Siliciumscheibe 45 zeigt. In diese SiO2-Schicht 49 werden
mit üblichen
Lithografie- und Ätzverfahren
Fenster 50 eingearbeitet. Durch die Fenster 50 hindurch
wird dann mit hoher Dotierung z. B. Bor in die Siliciumscheibe 45 diffundiert
oder durch Ionenimplantation eingebracht, um unterhalb der Fenster 50 p+-leitende Schichten 51 zu erzeugen,
die z. B. die implantierten Zuleitungen 7a, 7b bilden
sollen. In entsprechender Weise und ggf. gleichzeitig mit den Schichten 51 können der
Aktuator 6 und die Zuleitungen 9a, 9b mit
ggf. unterschiedlichen Dotierungen ausgebildet, in der Halbleiterscheibe 45 vorzugsweise
vergraben und dazu durch Tiefimplantation oder -diffusion hergestellt
werden.
-
Nach
thermischer Aufbringung einer weiteren, z. B. 60 nm dicken SiO2-Schicht 52 (11d)
zur Abdeckung der Schichten 51, können diese an einer ausgewählten Stelle,
an der der piezoresistive Sensor 5 zu liegen kommen soll,
durch eine p – leitende Schicht 53 verbunden
werden (11d), indem z. B. die SiO2-Schicht 52 mit einem Fenster 54 versehen wird,
durch das Bor od. dgl. mit geringer Dotierung in die Oberfläche der
Siliciumscheibe 45 diffundiert oder implantiert wird. Die
sich dadurch ergebende Schicht 53 wird durch Aufheizen
od. dgl. aktiviert und bildet dann den piezoresistiven Sensor 5 (1, 2 und 4).
-
Durch
Anwendung analoger Verfahrensschritte (Lithografie, Oxid-Ätzen usw.)
werden dann diejenigen Abschnitte der p+-Schichten
frei gelegt, die mit Metallkontakten versehen werden sollen. Im Anschluß daran
wird die gesamte Oberfläche
der Siliciumscheibe 45 mit einem Metall wie z. B. Aluminium
beschichtet, das danach mit einem geeigneten Ätzmittel (z. B. Phosphorsäure) überall dort
weggeätzt
wird, wo es nicht benötigt
wird (11e). Es verbleiben daher nur
die eigentlichen Leiterbahnen 55 bzw. Kontaktflächen stehen
(z. B. 8a, 8b usw. in 1). In entsprechender
Weise können
die Leiterbahnen 11 und 38a, 38b hergestellt
werden. Bei diesem Verfahrensschritt wird auch die Spitze 48 (11b) mit dem verwendeten Metall überzogen und
damit elektrisch leitend gemacht.
-
Nachdem
die verschiedenen, aus 1 bis 4 ersichtlichen
Zuleitungen hergestellt sind, wird die Siliciumscheibe 45 von
der entgegengesetzten Breitseite her mit geeigneten Lithografie-
und Ätzschritten
bearbeitet, um in der Siliciumscheibe 45 eine Aussparung 56 auszubilden
(11f) bzw. angrenzend an einen den
Grundkörper 2 bildenden
Abschnitt 57 nur eine z. B. 10 bis 30 μm dünne, den Biegebalken 1 (2)
bildende und die Spitze 48 (11b)
tragende Membran 58 der Siliciumscheibe 45 stehen
zu lassen. In einem letzten Verfahrensschritt wird dann ein Abschnitt 59 der
Halbleiterscheibe 45, der auf der im Vergleich zum Abschnitt 57 entgegengesetzten
Seite der Aussparung 56 angeordnet ist, durch Trockenätzen od.
dgl. z. B. mit SF6/Ar oder SF6/CCl2F2/Ar entfernt,
wodurch die fertige, aus 1 bis 5 ersichtliche
Meßanordnung
erhalten wird (11g). Auf der mit der
Spitze 48 versehenen Breitseite kann dabei z. B. eine vorrübergehend
aufgebrachte, 8 μm
dicke Schutzschicht (z. B. AZ 4562) als Ätzmaske verwendet werden.
-
Im übrigen ist
klar, daß die
anhand der 11a bis 11g beschriebenen
Verfahrensschritte nur Beispiele darstellen, die in beliebiger,
dem Fachmann bekannter Weise durch andere Verfahrensschritte ersetzt
werden können.
Entsprechendes gilt für
die beschriebenen oder weitere, dem Schutz bzw. der Versiegelung
dienende Schichten.
-
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 Meßanordnung.
Beispielweise ist es möglich,
die Brückenschaltung 24 (6)
komplett in den Biegebalken 1 bzw. den Grundkörper 2 zu
integrieren oder nur den eigentlichen Sensor 5 im Biegebalken 1,
die übrigen Teile
der Brückenschaltung 24 dagegen
außerhalb der
Meßanordnung
anzubringen. Weiter dient das beschriebene Herstellungsverfahren
nur als Beispiel, da es zahlreiche andere Methoden zur Herstellung den
Cantilevern und mit diesen verbundenen Teilen gibt. Weiter können die
Zuleitungen 9a, 9b und der Heizdraht-Aktuator 6,
wie 2 und 4 zeigen, mehr oder weniger
weit vom Aluminiumstreifen 15 beabstandet sein. Möglich wäre es sogar,
die Zuleitungen 9a, 9b und den Heizdraht-Aktuator 6 nahe
der Oberfläche 14 und
daher im wesentlichen koplanar mit der Zuleitung 11 anzuordnen
und beim Proben als Abschirmung zu verwenden. In diesem Fall könnten die
Leiterbahnen 38a, 38b ganz wegfallen. Dennoch könnte der
Heizdraht-Aktuator 6 auch beim Proben verwendet werden,
da er hierbei allenfalls von einem Gleichstrom durchflossen wird,
was die gewünschte Abschirmwirkung
nicht wesentlich beeinträchtigt.
Außerdem
versteht sich, daß die
verschiedenen Merkmale auch in anderen als den dargestellten und
beschriebenen Kombinationen angewendet werden können.