КОМПЛЕКТ ЗОНДОВ ДЛЯ МИКРОСКОПА СО СКАНИРУЮЩИМ ЗОНДОМ
PROBE ASSEMBLY FOR SCANNING PROBE MICROSCOPE

Данное изобретение относится к области микроскопов со сканирующими зондами или сканирующих зондовых микроскопов, и в особенности к зондам, используемым в таких микроскопах. Настоящее изобретение, в частности, но не исключительно, пригодно для использования с атомно-силовыми микроскопами.
Область сканирующей зондовой микроскопии возникла в начале 1980-х гг. с разработки сканирующего туннельного микроскопа. Начиная с этого времени, был разработан широкий диапазон зондовых микроскопов, хотя они все основаны на одном и том же фундаментальном принципе функционирования: отдельный нанометрический зонд подвергает механическому сканированию поверхность образца для получения «карты взаимодействия» выборочного пространства. Каждый из различных типов микроскопов со сканирующим зондом (scanning probe microscope, SPM) характеризуется природой локального зонда и его взаимодействием с поверхностью образца.
«
Некоторые зондовые методы, такие как сканирующая оптическая микроскопия ближнего поля (scanning near field optical microscopy, SNOM), обнаруживают фотоны, генерируемые в результате зондового взаимодействия с освещаемым образцом или контроля других соответствующих свойств, таких как адсорбция, поляризация, длина волны и т.д. Другие зондовые методы основаны на выявлении изменений силы взаимодействия зонд - образец. Методы в этой последней группе известны в основном как сканирующая силовая микроскопия (scanning force microscopy, SFM). Сила взаимодействия может, например, представлять собой, среди прочих, межатомное (атомно-силовая микроскопия (atomic force microscopy или «AFM»)), магнитное (микроскопия магнитной силы (magnetic force microscopy или MFM»)), электрическое (микроскопия электрической силы (electrical force microscopy или «EFM»)) взаимодействие.
Атомно-силовая микроскопия (AFM) является наиболее широко используемой технологией сканирующей зондовой микроскопии. В случае типичной AFM, функционирующей в контактном режиме, зонд представляет собой острую головку на конце консоли, которая, находясь в максимальной близости к образцу, отклоняется от прямолинейного направления в ответ на силу межатомного взаимодействия, возникающую между головкой и образцом. Технологию оптического затвора обычно используют для измерения изгиба (прогиба) консоли относительно опоры консоли или относительно нулевого положения, где на головку не действуют никакие силы. AFM может функционировать в одном из двух режимов: постоянной силы или постоянной высоты. Как правило, AFM применяют при режиме постоянной силы, когда используют контур обратной связи для поддержания постоянной силы взаимодействия путем передвижения образца (или головки) вверх или вниз в ответ на любое изменение в прогибе консоли.
Типичными режимами функционирования являются контактное и динамическое функционирование. В контактном режиме головка и образец остаются в тесном контакте, т.е. находятся в режиме отталкивания при межатомном взаимодействии, поскольку сканирование продолжается. Общий динамический режим функционирования представляет собой прерывистый контактный режим, при котором привод приводит в действие консоль при ее резонансной частоте таким образом, что головка зонда контактирует с поверхностью образца только в течение очень небольшой доли его периода колебаний. Другая форма динамического функционирования представляет собой бесконтактный режим, когда консоль вибрирует, находясь над образцом на таком расстоянии, при котором сила межатомного взаимодействия больше не является силой отталкивания.
Последние достижения в зондовой микроскопии привели к более быстрым срокам получения данных. Пример зондового микроскопа, сконструированного для высокоскоростного сканирования, описан в WO 2005/008679. В данном документе, зонд микроскопа выполнен таким образом, что при воздействии внешней прилагаемой силы смещающая сила заставляет, либо головку зонда, либо образец, либо то и другое двигаться навстречу друг другу с шагом, большим, чем восстанавливающие силы, которые возникают из-за смещения головки зонда при сканировании образца. Это в свою очередь дает возможность зонду сканировать поверхность образца быстрее, чем с помощью стандартного микроскопа со сканирующим зондом.
В недавних разработках была предпринята попытка повысить скорость сканирования, но всегда, когда повышается скорость сканирования, каждую головку зонда необходимо заменять при более коротких интервалах времени в результате износа, загрязнения или повреждения, и т.д. Дальнейшие повышения эффективности микроскопа, таким образом, ограничены временем, требуемым для замены изношенных или поврежденных зондов или для замены друг на друга различных типов зонда.
Один способ повышения скоростей сканирования включает в себя использование матриц зондов для единовременного сканирования по большой площади поверхности образца. Примеры использования матриц зондов, таким образом, можно обнаружить в Патенте США №6423967 и в Патенте США № 2004/0256552. Тогда как матрицы зондов могут облегчить одновременное сканирование более широких площадей поверхности, ожидаются одни и те же периоды задержки, при необходимости замены зондов.
В Патенте США 5705814 описан микроскоп со сканирующим зондом, в котором зонды можно изменять или заменять путем автоматизации этих процедур. Таким образом, крепление зонда микроскопа включает в себя средство крепежа, которое приводится в действие механическим, электромагнитным или пневматическим способом для считывания и содержания отдельных зондов консоли. Отдельные зонды консоли хранятся в держателе, который занимает место образца на стадии обработки образца, когда новый зонд должен монтироваться в микроскоп, а выравнивание крепления зонда с отдельными зондами консоли в держателе осуществляется автоматически с использованием сигналов, исходящих от системы обнаружения зонда.
Также, в Патенте США 2004/0256552 описан микроскоп со сканирующим зондом, который включает в себя устройство для хранения нескольких отдельных зондов в держателе и для автоматического перемещения зондов по отдельности между держателем зонда и креплением зонда, без обязательного смещения образца.
Тогда как в известном уровне техники, относящемся к вышеописанному, предполагается некоторое повышение эффективности, путем, по меньшей мере, частичной автоматизации процедуры размещения зондов в микроскопе; решения из уровня техники влекут за собой дополнительные сложности, связанные с конструированием микроскопа и креплением зонда, в частности те, которые являются нежелательными.
Настоящее изобретение, таким образом, направлено на обеспечение усовершенствованного зонда, выполненного с возможностью использования в сканирующем зондовом микроскопе, который обеспечивает отдельные сменные зонды, являющиеся такими же или отличными от заменяемых зондов, которые необходимо очень быстро центрировать с системой обнаружения микроскопа.
Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает комплект зонда для использования в сканирующем зондовом микроскопе, комплект зонда, содержащий носитель, имеющий первое множество, состоящее, по меньшей мере, из трех зондов, причем каждый зонд имеет головку, расположенную на плоскости, общей для нескольких головок зонда, и которую можно удалять с этой плоскости, характеризуется тем, что зонды являются практически идентичными и что комплект также включает в себя средство адресации, приспособленное для выбора одного из нескольких зондов для их перемещения относительно большинства оставшихся зондов.
Является предпочтительным, чтобы комплект зонда также включал в себя второе множество, по меньшей мере, трех практически идентичных зондов. В дополнение, можно установить средство адресации для выбора одного зонда из первого множества и/или одного зонда из второго множества. Зонды из второго множества могут быть зондами типа, отличного от типа зондов первого множества.
В идеале, средство адресации содержит соответствующие электрические соединения с каждым зондом. В одном варианте осуществления, соответствующие электрические соединения могут включать в себя средство для прикладывания электрического потенциала между зондом и удаленным электродом. В другом варианте осуществления, каждый зонд включает в себя упругую опорную балку, а средство адресации дополнительно включает в себя пьезоэлектрический материал, соединенный с соответствующим электрическим соединением, для заземления опорной балки. В следующем варианте осуществления, каждый зонд включает в себя упругую опорную балку, а средство адресации содержит, по меньшей мере, один дополнительный слой материала, нанесенного на опорную балку, причем дополнительный слой образован из материала, отличного от материала опорной балки, таким образом, получается многослойная структура, содержащая, по меньшей мере, два слоя с различным термическим расширением. Является предпочтительным, чтобы многослойный материал нагревали посредством соответствующего резистивного нагревателя или удаленного источника света.
Комплект зонда может дополнительно содержать одинарную подложку, на которой обеспечены упомянутые зонды, причем унитарная подложка смонтирована на носителе.
В качестве альтернативы, каждый из упомянутых зондов может иметь соответствующую подложку, посредством которой зонд закреплен на носителе.
Является предпочтительным, чтобы несколько, по меньшей мере, из трех зондов являлись зондами типа, выбранного из следующей группы типов зондов: зонд для контактного режима; зонд для динамического режима; зонд для нанолитографии; зонд, адаптированный для измерений емкости; зонд, реагирующий на местное магнитное и/или электрические поля; зонд, выполненный с возможностью оптической микроскопии ближнего поля; зонд со стандартным соотношением геометрических размеров; зонд с высоким соотношением геометрических размеров; зонды, обладающие различными радиусами головки.
-1
В дополнение, по меньшей мере, для одного из зондов является желательным наличие головки с радиусом кривизны 100 нм или менее. Является предпочтительным, чтобы, по меньшей мере, один из зондов имел жесткость пружины менее 2 Н·м. Зонды могут быть установлены практически параллельно один другому.
В одном варианте осуществления, носитель имеет внутренние кромки, образующие, по меньшей мере, один разъем, простирающийся через весь носитель, причем зонды установлены вдоль одной или нескольких внутренних кромок. Является предпочтительным, чтобы, по меньшей мере, один первый зонд и, по меньшей мере, один второй зонд были обеспечены на соответствующих противоположных внутренних кромках опоры зонда. Более того, по меньшей мере, один упомянутый зонд и, по меньшей мере, один второй зонд могут перекрывать друг друга таким образом, что их головки расположены в линию.
Является предпочтительным, чтобы носитель дополнительно содержал средство для прикрепления носителя к оправе на микроскопе. Средство для прикрепления может содержать средство для хранения информации для каждого зонда. В дополнение, средство для прикрепления также может включать в себя мультиплексор для выбора зонда.
В одном варианте осуществления, головки зонда практически равномерно распределены по общей плоскости. В качестве альтернативы, по меньшей мере, два зонда могут находиться на расстоянии друг от друга на общей плоскости, отличном от расстояний между остальными зондами.
В другом варианте осуществления первый зонд обеспечен на первой опоре для зондов, а второй зонд обеспечен на второй опоре для зондов, и интервалы между головками первых и вторых зондов фиксированные. В качестве альтернативы, зонды могут иметь интервалы, которые регулируются в пределах общей плоскости.
В еще одном варианте осуществления, первый набор зондов обеспечен на первой опоре для зондов, а второй набор зондов обеспечен на второй опоре для зондов, а интервалы между головками первого и второго наборов регулируются. Является предпочтительным, чтобы, по меньшей мере, один тип опор, первый или второй, включал в себя регулируемую распорку для изменения соответствующего местоположения двух опор для зондов. По меньшей мере, один первый набор и, по меньшей мере, один второй набор можно обеспечить на соответствующих противоположных друг другу кромках соответствующих первых и вторых носителей для зондов. В этом случае, первые и вторые наборы могут перекрывать друг друга таким образом, чтобы головки зондов были расположены в линию. Является предпочтительным, чтобы каждая группа была расположена на плоскости, которая является общей для других наборов, и каждая головка зонда в упомянутом наборе должна быть расположена на плоскости, наряду с другими головками зонда в упомянутом наборе, причем каждый набор имеет соответствующее средство адресации. В предпочтительном варианте осуществления средство адресации выполнено с возможностью выбора, по меньшей мере, одного набора для относительного перемещения по отношению к большинству остальных зондов, из не выбранного набора, и дополнительно выполнено с возможностью выбора одного из зондов из выбранного набора для относительного перемещения по отношению к большинству остальных зондов в наборе, причем выбранный зонд представляет собой зонд в выбранном наборе, который перемещают дальше от упомянутого большинства остальных зондов, не принадлежащих к выбранному набору.
Является предпочтительным, чтобы общая плоскость была практически параллельна предметному столику.
Настоящее изобретение дополнительно обеспечивает устройство для сканирующей зондовой микроскопии, содержащее предметный столик, крепление, систему обнаружения и комплект зонда, как описано в настоящем документе, прикрепленный к креплению. Микроскоп также может включать в себя средство для синхронизации выбранного зонда с системой обнаружения. Это способствует автоматизированной замене одного зонда другим в данном комплекте, что является благоприятным при дальнейшей модернизации общих сроков получения данных в случаях, при которых необходимо заменять зонды.
Согласно другой особенности, настоящее изобретение обеспечивает способ исследования поверхности образца с использованием сканирующего зондового микроскопа, имеющего предметный столик и систему обнаружения, причем способ включает в себя этапы: прикрепление образца на предметной пластине сканирующего зондового микроскопа; прикрепление комплекта зонда, как описано в данном документе, в сканирующем зондовом микроскопе; адресация одного или нескольких зондов, заставляя головки зонда адресованных зондов двигаться от общей плоскости относительно остальных зондов и, таким образом, выбор одного или нескольких зондов для сканирования поверхности образца; размещение выбранных зондов по поверхности образца; настраивания системы обнаружения сканирующего зондового микроскопа с одним или несколькими выбранными зондами; формирование относительного перемещения между одним или несколькими выбранными зондами и поверхностью образца; и контроль отклика одного или нескольких зондов на их взаимодействие с образцом с использованием системы обнаружения. Этот процесс можно повторять с альтернативным выбором зонда (зондов), а процесс синхронизации с системой обнаружения можно осуществлять автоматически.
Фиг. 1 иллюстрирует схематически стандартный атомно-силовой микроскоп типа, подходящего для использования вместе с усовершенствованным зондом согласно настоящему изобретению;
Фиг. 2 иллюстрирует первый вариант осуществления комплекта зонда для использования в сканирующей зондовой микроскопии в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг. 3 иллюстрирует альтернативный вариант осуществления комплекта зондов для использования в сканирующей зондовой микроскопии в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг. 4 иллюстрирует структуру консолей двух зондов в комплекте зондов в соответствии с настоящим изобретением; и
Фиг. 5a, 5b, 5c и 5d иллюстрируют четыре альтернативных варианта осуществления комплекта зондов в соответствии с настоящим изобретением.
Атомно-силовой микроскоп (atomic force microscope, AFM), обозначенный ссылкой 10, проиллюстрирован на Фиг. 1 в качестве примера типа AFM, в котором можно использовать усовершенствованный зонд по настоящему изобретению. Однако следует понимать, что настоящее изобретение не ограничено этим конкретным проектом AFM. Вместо этого, настоящее изобретение является пригодным для использования в основном со сканирующими зондовыми микроскопами, хотя можно предусмотреть конкретные применения. В качестве примера, оно подходит для использования с AFM, выполненным с возможностью сканирования поверхности пластины, что способствует определению местоположения и идентификации дефектов (т.е. средства для исследования пластины).
Устройство AFM в основном содержит предметный столик в форме пластины 12, приспособленной для приема образца 14; зонд 16 (который более подробно описан ниже), имеющий консоль 18 и нанометрическую 20 головку зонда; и систему 22 обнаружения для мониторинга отклонения консоли 18 относительно ее крепления. Вершина нанометрической 20 головки имеет радиус кривизны 100 нм или менее, а для различных типов сканирования или сбора изображений могут быть использованы различные размеры и формы головки. В ходе сканирования, сила взаимодействия развивается между головкой 20 зонда и поверхностью образца, а относительное отклонение или высота консоли 18 указывает как на топографию образца, так и на величину силы взаимодействия.
Зонд 16 крепится на устройстве 26 для управления местоположением, например, на пьезоэлектрическом преобразователе, и средстве 27 грубой регулировки. Устройство 26 для управления местоположением используют для управления зондом 16 в трех размерностях: в направлениях x, y и z. В соответствии со стандартами, принятыми в данной области, ось z прямоугольной системы координат расположена перпендикулярно плоскости, занимаемой образцом 14. То есть сила взаимодействия зависит как от позиции зонда 16 поверх образца 14 (в пиксельном отображении) в координатах x-y, так и от его местоположения по вертикали.
При эксплуатации средство 27 грубой регулировки используют для определения местоположения зонда относительно образца 14, а систему 22 обнаружения выравнивают с задним концом зонда 16 таким образом, чтобы можно было контролировать отклонение зонда. Затем осуществляют тонкую регулировку высоты и исходного местоположения, пока система 22 обнаружения измеряет отклонение зонда 16 под действием силы взаимодействия зонд - образец. Как только устанавливается желаемый уровень сил взаимодействия и, таким образом, устанавливается отклонение консоли зонда, зонд 16 осуществляет сканирование по поверхности образца 14 с использованием устройства 26 контроля местоположением, тогда как высота, отклонение или коррекция отклонения зонда контролируются и/или записываются системой 22 обнаружения.
На Фиг. 1, для простоты ссылки, проиллюстрирован один зонд 16. На Фиг. 2, 3 и 5 проиллюстрирован комплект 31, 60 зондов в соответствии с настоящим изобретением. Комплект 31 зонда, который в настоящем документе упоминается как зондовый «бисквит», имеет несколько отдельных зондов 32, закрепленных на одинарной подложке 33 (Фиг. 2). Поскольку отдельные зонды 32 закреплены на одинарной подложке 33, пространственные местоположения каждого из зондов относительно друг друга можно очень точно контролировать в ходе изготовления. Подложка 33 в свою очередь закреплена на носителе 34, который является общим для всех зондов.
Носитель 34 включает в себя средство для обеспечения безопасности носителя 34 для крепления зонда (не показано) устройства для микроскопии, например, пальцы 35 крепления или другие стандартные средства.
Носитель 34 дополнительно включает в себя средство 36 адресации, в данном варианте осуществления в форме электрических контактов, которые обеспечивают отдельные соединения для каждого зонда 32 с внешним источником электроэнергии (не показан). В случае Фиг. 2, каждый из силовых контактов 36 может быть соединен по отдельности с внешним источником электропитания. Однако, как показано на Фиг. 3, для большего количества зондов отдельные силовые контакты 36 возможно могут иметь сообщение с мультиплексором 37, который выполнен с возможностью селективного соединения отдельных силовых контактов 36 к источнику питания, подведенных к внешнему источнику 38 электропитания. Тогда как каждый зонд 32 снабжен соответствующими электрическими контактами 36, головка 20 зонда изолирована от контакта 36 для обеспечения того, чтобы не повредить взаимодействию головки с образцом.
В альтернативном варианте осуществления Фиг. 3, каждый из отдельных зондов 32 обеспечен на соответствующей подложке 33', причем каждая подложка закреплена на общем носителе 34. Тогда как зонды закрепляют вдоль внешней кромки носителя 34 на Фиг. 2, в случае Фиг. 3 можно видеть, что носитель 34 может включать в себя один или несколько разъемов 39 (на Фиг. 3 проиллюстрирован только один разъем), с зондами 32, закрепленными вдоль внутренних кромок разъемов. Это, в частности, является практически полезным, когда задействовано большее количество зондов. В идеале, зонды 32 установлены в предварительно заданных пространственных местоположениях относительно носителя 34 и относительно друг друга. Разъемы могут, конечно, иметь любую форму, и они требуются для обеспечения только внутренних кромок, к которым крепятся отдельные зонды.
При установке зондов 32 на зондовом «бисквите» 31, проиллюстрированном на Фиг. 3, каждая пара противоположных друг другу зондов, т.е. зонды на противоположных кромках разъема 39, расположена под дополнительными углами, т.е. сумма их углов относительно предметной пластины составляет 180°. Это соответствует эффекту зондов на противоположных кромках разъема 39, отражающих падающий свет от системы обнаружения в различных направлениях. Следовательно, с помощью зондового «бисквита» 31 согласно Фиг. 3, является предпочтительным, чтобы система обнаружения включала в себя средство сбора, предназначенное для собирания света, отражаемого от зондов на обеих сторонах разъема 39. Например, система сбора может быть переустанавливаемой или может включать в себя дополнительные оптические элементы, специфические для сбора света, отражаемого от зондов, на одной стороне разъема. В качестве альтернативы, устройство для сканирующей микроскопии может быть выполнено с такой возможностью, чтобы оно содержало две системы обнаружения, по одной для каждой стороны разъема.
Хотя зондовые «бисквиты» согласно Фиг. 2 и 3 в основном являются прямоугольными, следует понимать, что носитель 34 может иметь любую форму, пригодную для крепления в устройствах для микроскопии. Более того, согласно варианту осуществления на Фиг. 3, крепление противоположных зондов под дополнительными углами является не обязательным, - это просто удобное расположение. Аналогично, конфигурация электрических контактов 36 не рассматривается, как ограничивающая конфигурации, проиллюстрированные в настоящем документе.
Хотя средство для прикрепления зондового «бисквита» к устройству для микроскопии может представлять собой любое стандартное средство, предпочтительный вариант осуществления (не показан) содержит носитель 34, закрепленный в кожухе, таком как картридж или кассета, для защиты зондов. Сам по себе кожух, в таком случае, выполнен с возможностью закрепления на устройстве для микроскопии с помощью зондового «бисквита», который установлен для использования. Кожух включает в себя крышку и/или основание, которое можно перемещать или снимать для обнажения зондов для воздействия как образца, так и системы обнаружения, при приготовлении к использованию. Для случая, в котором кожух включает в себя крышку и основание, их можно перемещать или снимать вместе или по отдельности. Крышку и/или основание можно перемещать или снимать перед креплением или в рамках процесса крепления. Однако является предпочтительным, чтобы крышку и/или основание можно было бы перемещать или снимать после того, как кожух был закреплен, вследствие чего кожух остается закрытым, в целях предохранения зондов в ходе процесса крепления.
Помимо предохранения зондов, кожух также может содействовать синхронизации зонда с системой микроскопа. Зондовый «бисквит» можно с достаточной точностью размещать в кожухе таким образом, чтобы установка кожуха вручную в заданном положении (которое может быть задано разъемами, желобами и т.п.) на системе микроскопа определяла местоположение «бисквита», готового к эксплуатации, по меньшей мере, приблизительно.
Более того, кожух также можно использовать для хранения микросхемы, содержащей информацию о калибровке или другую информацию об отдельных зондах или о комплекте зондов самом по себе. Как было более подробно описано ниже, такую информацию можно использовать для автоматизированной перенастройки «бисквита» для выбора сменного зонда. Микросхему можно также использовать для контроля использования каждого зонда и усовершенствовать для использования отдельного зонда. Такую информацию можно использовать для ограничения применения зонда, например, количеством сканирований, для выполнения которых, как ожидается, зонд будет функционировать для получения требуемых параметров.
Зондовый «бисквит» 31 функционирует как хранилище отдельных зондов 32 для использования в сканирующей зондовой микроскопии. Не следует, однако, считать, что все зонды, расположенные на зондовом «бисквите» 31, используются одновременно. Напротив, зонды 32 на зондовом «бисквите» выбирают посредством средства 36 адресации, для их использования по отдельности или в группах. Выбор осуществляют путем опускания выбранного зонда или для приведения их в контакт с поверхностью образца; или путем подъема всех невыбранных зондов. Таким образом, при отсутствии выбранных зондов, головки каждого из зондов расположены на общей плоскости. Когда выбран один или несколько зондов, головка любого из выбранных зондов или всех невыбранных зондов приводятся в движение от общей плоскости относительно остальных зондов.
Для обеспечения выбора зонда, нижний электрод (не показан) может быть установлен под образцом 14 с зондами 32 на зондовом «бисквите» 31, все из которых выполнены с такой возможностью, чтобы их можно было выбрать для функционирования в качестве вторых электродов. Например, один из отдельных зондов 32 выбирают путем приложения разности потенциалов между нижним электродом, расположенным под образцом 14, и выбранным зондом 32. Это приводит к генерированию силы притяжения, которая заставляет выбранный зонд 32 изгибаться по направлению к нижнему электроду и, таким образом, по направлению к образцу 14. Для случая, в котором сканирующий зондовый микроскоп используют для мониторинга пластины, саму пластину можно использовать в качестве нижнего электрода.
2
Как проиллюстрировано на Фиг. 3, верхний электрод 40 (обозначенный пунктирными линиями) может быть установлен выше зондового «бисквита» 31, со стороны «бисквита», противоположной к образцу 14. Там, где в устройстве для микроскопии используют вертикальную систему обнаружения, верхний электрод может присутствовать в форме слоя стекла, который покрыт электропроводящим материалом, например, TiO, для обеспечения передачи света к зондам 32 и от них, через стеклянный слой и его покрытие. Конечно, при использовании невертикальной системы оптического обнаружения или системы неоптического обнаружения в устройстве для микроскопии, необходимость в пропускании света для верхнего электрода отпадает. В этом случае, путем приложения электрического потенциала между зондами и покрытием верхнего электрода 40, зонды будут притягиваться к верхнему 40 электроду, а следовательно, отдаляться от образца 14. Поэтому в данном варианте осуществления электрический потенциал прикладывают ко всем зондам, за исключением выбранного зонда или зондов.
В третьем варианте осуществления обеспечен как нижний электрод, расположенный под образцом 14, так и верхний электрод выше зондового «бисквита». С помощью этого варианта осуществления нижний электрод электрически соединен, через источник электропитания, с верхним 40 электродом и обеспечивает электромагнитное поле, приложенное через образец 14 и носитель 31. Путем прикладывания электрического потенциала к выбранным зондам 32, посредством отдельных электрических контактов 36, один или несколько зондов можно заставить перемещаться по направлению к нижнему электроду и от него и, таким образом, к образцу 14 или от него, в зависимости от приложенного к ним электрического потенциала.
Еще один альтернативный вариант осуществления включает в себя использование удаленного средства адресации для генерирования градиента давления применительно к выбранным зондам, например, путем вдувания инертного газа или воздуха на выбранные зонды, заставляя выбранные зонды отклоняться по направлению к образцу.
Для минимизации напряженности поля необходимо заставить адресованные зонды двигаться за пределы общей плоскости головок зондов, причем опорная балка каждого зонда может быть выполнена с возможностью повышения его площади поверхности, например, за счет расширения, по меньшей мере, основания опорной балки (см. Фиг. 4), а следовательно, повышения силы, которую претерпевает опорная балка в электрическом поле, возникающем из-за приложенного электрического потенциала. Это, в частности, является особенно желательным в случае, если зонды имеют консоли с высокой жесткостью пружины, которые обычно используют при эксплуатации в динамическом режиме.
С помощью комплекта зондов, описываемого в настоящем документе, можно спроектировать одну или несколько консолей зондов таким образом, чтобы они были обеспечены механической амортизацией и/или включали в себя средство для приложения внешней силы, что является предпочтительным в определенных способах формирования изображений.
Верхний и нижний электроды можно заменить материалом с электроприводом, таким как пьезоэлектрический материал, который обеспечен, по отдельности, на каждом зонде, чтобы зонд мог изгибаться по направлению к образцу 14 или в противоположном направлении. В еще одном альтернативном варианте воплощения, выбор, а следовательно, и движение отдельных зондов навстречу к образцу или от него можно получить путем обеспечения двухслойной (или многослойной) дорожки на каждом зонде. Каждый слой изготавливают из материала с различными коэффициентами расширения. В этом случае, поскольку дорожку нагревают, она будет изгибаться, что в свою очередь будет приводить зонд в движение. Слои могут представлять собой металл, кремний или нитрид кремния, или другие материалы, которые обладают свойствами, связанными с различными коэффициентами расширения. Преимущество кремния или нитрида кремния состоит в том, что они являются стандартными материалами для изготовления зонда, и, таким образом, зонд сам по себе может образовывать один слой дорожки. Каждую двухслойную дорожку можно нагревать по отдельности посредством резистивного нагревателя, соединенного с локальными электрическими контактами 36 или можно нагревать дистанционно, например, посредством света от лазера, и в этом случае электрические контакты 36 могут быть опущены.
На Фиг. 2, 3 и 5 для ясности проиллюстрировано только небольшое количество зондов 32. На практике предполагается, что каждый многозондовый «бисквит» 31 может иметь намного больше зондов. Например, отдельные зонды могут быть отделены друг от друга всего несколькими микронами, вплоть до десяти микронов или более. Это может дать возможность обеспечить сотни зондов на одной кромке зондового «бисквита» размером 5 см. Как проиллюстрировано на Фиг. 3, каждый зондовый «бисквит» может включать в себя несколько кромок, дополнительно увеличивающих общее количество зондов, обеспеченных на каждом зондовом «бисквите».
При наличии каждого зондового «бисквита» 31, как только зонд изношен или поврежден, устройство для микроскопии нуждается только в перенастройке на второй зонд, расположенный на том же зондовом «бисквите», для продолжения сканирования. Более того, время, затрачиваемое на перенастройку устройства для микроскопии, можно свести к минимуму, поскольку каждый зонд на зондовом бисквите обладает известным пространственным соотношением с каждым другим зондом. Это дополнительно означает, что перенастройка устройства для микроскопии может быть автоматизированной. Например, систему обнаружения устройства для микроскопии можно использовать при синхронизации сменных зондов на одном и том же зондовом «бисквите». В качестве альтернативы, оптическое формирование изображений, получаемое с помощью зонда, можно использовать в сочетании с программированием распознания образов, для автоматической синхронизации системы обнаружения с новым выбранным зондом. В еще одном альтернативном варианте осуществления, для каждого зонда зондового «бисквита» может быть установлен уникальный идентификационный код, а также сохранено его пространственное местоположение относительно других зондов на том же зондовом «бисквите». Это может облегчить компьютеризованный контроль перенастройки системы обнаружения устройства для микроскопии на новый зонд на том же «бисквите», а также выбор нового зонда путем подключения выбранного зонда к источнику электропитания. Более того, если задан порядок, в котором зонды сменяют друг друга, возможна автоматическая перенастройка, для которой не требуются идентификационные коды для отдельных зондов.
Следует дополнительно отметить, что зондовый «бисквит» 31 может содержать несколько различных типов зондов, которые выбирают по отдельности и облегчают проведение различных типов анализа образца, без необходимости в удалении и замене крепления зонда между периодами сканирования. Например, различные типы зонда, которые можно обеспечить на одном зондовом «бисквите», включают в себя: зонды для контактного режима, как правило, обладающие низкой жесткостью пружины, например, <2 Н/м; зонды для динамического режима, обычно обладающие более высокой жесткостью пружины, например, >10 Н/м, обычно 40 Н/м, а иногда и выше; зонды для нанолитографии, обладающие отверждающим покрытием, таким как алмаз; и зонды с головками с формой входящего угла, для использования в формировании трехмерных изображений. В некоторых случаях, изготовление различных типов зондов на одной подложке 33 может быть затрудненным. При этих обстоятельствах, зонды могут быть установлены на отдельных подложках, которые затем крепят на общем носителе, как проиллюстрировано на Фиг. 3.
В частности, зондовый «бисквит» 31 может содержать несколько зондов, обладающих различными соотношениями геометрических размеров, и/или зонды с различной заостренностью, которые выбирают по отдельности. Соотношение геометрических размеров и заостренность являются различными характеристиками зонда, которые часто путают, так что имеет смысл объяснить различие. Заостренность зонда определяется радиусом кривизны острия головки зонда. Чем меньше радиус кривизны, острее головка зонда. В то же время, соотношение геометрических размеров есть отношение длины головки зонда к ширине ее основания. То есть это является мерой градиента сужения головки зонда в точку. Стандартные зонды обычно имеют головки с соотношением геометрических размеров <5:1; зонды с высоким соотношением геометрических размеров обычно имеют головки с соотношением геометрических размеров >10:1. Зонды с высоким соотношением геометрических размеров обычно лучше приспособлены для формирования изображения внутри структуры в пределах поверхности образца. Чем острее головки, тем лучше получается разрешение.
Таким образом, с помощью одного зондового «бисквита», имеющего зонды множества различных типов, можно осуществлять первоначальный высокоскоростной мониторинг поверхности образца для идентификации участка, представляющего интерес, а затем, - более медленное, более осторожное или, иначе говоря, дополнительное сканирование идентифицированных участков, без изменения зондового «бисквита». Это, в частности, является выгодным, поскольку для стандартного устройства для сканирующей микроскопии может оказаться очень сложным точное возвращение к заданному участку на образце с помощью другого зонда после первоначального сканирования, в ходе которого был идентифицирован этот участок. Также, стандартные методы сканирующей микроскопии могут требовать очень больших временных затрат, по сравнению с использованием зондового «бисквита» согласно настоящему изобретению.
Применение, в котором использование нескольких конфигураций зонда для обеспечения операций сканирования с различными характеристиками имеет конкретные преимущества, используется в полупроводниковой промышленности. При оценке качества полупроводниковой пластины, как только представляющая интерес область была обнаружена с использованием стандартной головки зонда, более острую головку зонда можно выбирать из того же зондового «бисквита», для осуществления более медленного сканирования представляющего интерес участка для обеспечения более подробного изображения данной выбранной области. В качестве альтернативы, область, представляющую интерес, можно повторно сканировать с помощью головки зонда с высоким соотношением геометрических размеров и/или имеющей форму входящего внутрь угла. Более острый зонд обеспечивает более высокое разрешение измерения шероховатости поверхности, а головка зонда с высоким соотношением геометрических размеров может входить в отверстия и впадины на поверхности пластины.
В качестве альтернативы, с помощью зондового «бисквита» можно переключать отдельные зонды на зондовом «бисквите», который был оптимизирован либо для контактного режима, либо для динамического режима эксплуатации. Также можно переключать между собой зонд, используемый для формирования изображения поверхности образца, и зонд, используемый в нанолитографии той же самой поверхности, без замены зондового «бисквита».
Как будет ясно, зондовый «бисквит», описанный выше, с его выбираемыми по отдельности зондами, обеспечивает минимизацию времени, требуемого для установки альтернативных зондов или для замены поврежденных, загрязненных или изношенных зондов. Вместо осуществления ручного или автоматического удаления и замены зонда, с помощью зондового бисквита согласно настоящему изобретению, все, что требуется, - это перенастройка системы обнаружения на новый зонд на том же «бисквите». Более того, при использовании стандартных способов замены изношенных зондов возникает неточность в расположении нового зонда по отношению к поверхности образца относительно местоположения старого зонда. Однако поскольку относительные местоположения каждого из зондов на зондовом «бисквите» известны, эту неточность в определении местоположения на поверхности образца можно избежать.
Альтернативные варианты воплощения 60 конструкции зондового бисквита показаны на Фиг. 5a, 5b, 5c и 5d. Зондовый бисквит 60 имеет множество отдельных зондов 32, которые могут быть закреплены на одинарной подложке 61 (Фиг. 5b и 5d). Подложка 61 в свою очередь закреплена на носителе (не показан), который является общим для всех зондов и который включает в себя средство крепления, описанное ранее. В качестве альтернативы, носитель может быть опущен, а одинарная подложка может быть адаптирована для монтажа к креплению зонда. Поскольку отдельные зонды 32 закреплены на общей, одинарной подложке 61, пространственное местоположение каждого из зондов относительно друг друга очень точно контролируют в ходе изготовления.
Подложка 61 включает в себя средство 62 адресации, в данном варианте осуществления - в форме электрических соединений, которые обеспечивают для каждого зонда 32 отдельный контакт с внешним источником электроэнергии (не показан). Каждый из контактов 62 к источнику питания может быть по отдельности соединен с внешним источником питания, или, для большего количества зондов, отдельные контакты 62 к источнику питания могут быть соединены (не обязательно) с мультиплексором 63, который выполнен с возможностью селективного соединения отдельных контактов 62 к источнику питания с внешним источником питания. Тогда как каждый зонд 32 снабжен соответствующим электрическим контактом 62, головка зонда изолирована от соединения 62 для обеспечения того, чтобы взаимодействию головки с поверхностью образца не был бы нанесен ущерб.
Несмотря на то что механизм, выбранный для отбора одного зонда, отдавая ему предпочтение пред другим, сам по себе процесс отбора также можно изменять. Например, набор зондов может частично отклоняться от прямого направления в ответ на первый сигнал на отбор, а затем конкретный зонд из этого набора отклоняется дополнительно под действием второго сигнала на отбор. В качестве альтернативы, первое подмножество зондов можно отбирать путем частичного отклонения от прямого направления в ответ на первый сигнал, а второе подмножество - под действием частичного отклонения от прямого направления в ответ на второй сигнал. Если для обоих подмножеств общим является только один зонд, то этот зонд будет только одним зондом, который полностью отклоняется, и поэтому будет выбран для сканирования образца.
Тогда как зонды 32 закреплены вдоль внешней кромки подложки 61, как показано на Фиг. 5b, можно видеть, что в случае, представленном на Фиг. 5d, подложка 61 может включать в себя один или несколько разъемов 64 (на Фиг. 5d проиллюстрирован только один разъем) с зондами 32, закрепленными вдоль внутренних кромок разъемов. Это, в частности, бывает полезным, когда задействованы большие количества зондов. В идеале, зонды 32 устанавливают в предварительно заданных пространственных местоположениях относительно подложки 61 и относительно друг друга. Разъемы, конечно, могут иметь любую форму, и они требуются только для обеспечения внутренних кромок, к которым крепятся отдельные зонды.
Как и для предыдущих вариантов осуществления, хотя зондовые «бисквиты» 60 по Фиг. 5a, 5b, 5c и 5d в основном являются прямоугольными, следует понимать, что подложка 61 может иметь любую форму, подходящую для крепления на микроскопе. Аналогично, средство для прикрепления зондового «бисквита» к микроскопу может представлять собой любое стандартное средство, а конфигурации электрических контактов 62 не должны рассматриваться как ограниченные конфигурациями, проиллюстрированными в настоящем документе.
Зондовый «бисквит» 60 функционирует как хранилище отдельных зондов 32 для использования в инструментах для локального сканирования. При этом не следует считать, что все зонды на зондовом «бисквите» 60 используются одновременно. Наоборот, зонды 32 на зондовом «бисквите» выбирают с помощью средства адресации 36, для их использования по отдельности или в группах. Как и для всех вариантов осуществления, отбор осуществляют путем опускания вниз выбранного зонда или зондов для приведения зонда или зондов в контакт или подведения их близко к поверхности образца; или путем подъема всех невыбранных зондов. Таким образом, при отборе зондов, головки каждого из зондов располагаются в одной плоскости. При выборе одного или нескольких зондов, головки либо выбранных зондов, либо всех невыбранных зондов приводятся в движение от общей плоскости относительно оставшихся зондов.
В полупроводниковой индустрии нет необходимости в мониторинге полупроводниковых пластин для поиска дефектов. В этом применении можно использовать пары зондов, обладающих известным интервалом между ними, для обеспечения сканирования с помощью микроскопа двух различных областей одной и той же пластины. Поэтому, поскольку одна пластина обладает многими идентичными особенностями, пару зондов можно выбирать таким образом, чтобы они по отдельности отображали идентичную особенность устройства в двух отдельных местоположениях на одной и той же пластине. Другие различия, включая различия в высоте поверхности, обнаруживаемые между измерениями, проводимыми двумя зондами, обеспечивают эффективное обнаружение местоположения дефектов и/или их классификацию.
Конечно, должно быть ясно, что при использовании двух или нескольких зондов, полученные изображения можно собирать последовательно или одновременно. При осуществлении одновременного сбора изображений, для каждого образца могут быть обеспечены соответствующие системы обнаружения. В качестве альтернативы, можно использовать одну систему обнаружения, и в этом случае отдельные измерения высоты для одного из зондов можно чередовать с измерениями, записываемыми вторым зондом, а изображения извлекаются контроллером зонда (не показан) путем соответствующей синхронизации зондовых сканирований и данных изображений. Одновременное получение двух изображений обладает особыми преимуществами, поскольку на оба зондовых измерения высоты оказывают воздействие одинаковые шумовые помехи, и, таким образом, шумовые помехи уравновешиваются в ходе любого сравнительного анализа подлинных результатов измерений высоты, полученных с двух зондов. Это является особо подходящим при использовании микроскопа на технологической линии полупроводниковой пластины, из-за высокого акустического шума окружающей среды и вибрации.
В случае зондовых «бисквитов», показанных на Фиг. 5b и 5d, разделительный зазор между отдельными зондами 32 формируют при изготовлении. В случае «бисквитов», показанных на Фиг. 5a и 5c, тем не менее, разделительный зазор между отдельным зондами регулируют посредством регулируемой прокладки 65. Является предпочтительным, чтобы регулируемая прокладка 65 содержала пьезоэлектрический материал, который будет расширяться или сжиматься, в зависимости от прилагаемого напряжения. Таким образом, в случае Фиг. 5a, второй 61' зондовый «бисквит» соединяется с первым 61 зондовым «бисквитом» через регулируемую распорку 65. Поэтому разделительный зазор между двумя зондовыми «бисквитами» 61 и 61' можно регулировать, и, таким образом, разделительный зазор между зондами на первом «бисквите» 61 и зондами на втором «бисквите» 61' можно регулировать аналогичным образом. В соответствии с вариантом воплощения комплекта зондов, представленным на Фиг. 5c, отдельные зонды на двух разделенных зондовых «бисквитах» обращены друг к другу своими головками, перекрывающимися, по меньшей мере, частично. Первый зондовый «бисквит» 61 постоянно прикреплен к поддерживающему брусу 66, тогда как второй зондовый «бисквит» 61' прикреплен к тому же поддерживающему брусу 66 посредством регулируемой прокладки 65. И здесь, разделительный зазор 70 между соответствующими зондами на каждом из двух зондовых «бисквитов» можно изменять путем регулировки толщины регулируемой прокладки 65.
В случае комплектов зондов, проиллюстрированных на Фиг. 5a и 5c, разделительный зазор между зондами можно регулировать, например, для урегулирования различных отличительных признаков, повторяющихся на полупроводниковой пластине. Кроме того, хотя это не показано, могут быть установлены средства, такие как дополнительные прокладки, для обеспечения разделительного зазора между зондами, регулируемого либо в одномерном, либо в двухмерном пространстве на плоскости, практически параллельной поверхности пластины или образца.
При расположении зондов 32 на зондовом «бисквите» 60, проиллюстрированном на Фиг. 5d, каждая пара противоположных друг другу зондов, т.е. зондов на противоположных кромках разъема 64, установлена под дополнительными углами, т.е. сумма их углов относительно предметного столика составляет 180°. Эффект этого был ранее описан применительно к Фиг. 3.
Выбор зонда обеспечивают, как описано выше. Механизмы и способы для выбора одного зонда в равной мере относятся к выбору пары зондов для одновременного сканирования.
Вместо стандартной атомно-силовой микроскопии, для зондового «бисквита» можно применять микроскопию с использованием резонансного сканера. В этом случае, зондовый «бисквит» может быть закреплен на резонаторе, таком как одна вилка эталонного генератора стабильной частоты.
-1
В качестве альтернативы, зондовый «бисквит» 31 можно использовать совместно с зондовым микроскопом, описанным в патенте WO 2005/008679, содержание которого включено в настоящий документ в виде ссылки. При эксплуатации этого конкретного высокоскоростного зондового микроскопа выбирают зонд 16, имеющий низкую жесткость пружины, например, менее 1 Н·м и снабженный полимерным покрытием, которое нанесено на одну или обе стороны консоли 18 зонда, что обеспечивает низкий коэффициент добротности у зонда 16. Предпочтительное покрытие представляет собой каучук с низкой концентрацией поперечных связей, уровень которой вполне достаточен для поддержания связности покрытия. Поперечные связи могут быть либо химическими, как в стандартном каучуке, либо физическими, как в термоэластопласте. В качестве альтернативы, контроль коэффициента добротности можно осуществлять другими средствами, например, путем электронного контроля, а в случае, когда образец и зонд расположены в герметизированной вязкой среде, полимерное покрытие может быть опущено, поскольку воздействие жидкой среды на зонд может быть достаточным для обеспечения желаемого низкого коэффициента добротности.
Следует отметить, что устройство, описанное выше, приведено просто для иллюстрации применимости настоящего изобретения для технологий быстрого сканирования. Конечно, следует учитывать, что, как указывалось ранее, зондовая микроскопия согласно настоящему изобретению в равной мере применима для способов медленного сканирования и для многочисленных различных микроскопов со сканирующим зондом.
При получении изображения с использованием данного зондового микроскопа обеспечена сила смещения, которая приводит к отклонению головки зонда и образца навстречу друг другу. Сила смещения может возникать вследствие электростатического потенциала, прилагаемого между образцом и зондом, и этот электрический потенциал может быть таким же электрическим потенциалом, который используют для выбора одного или нескольких зондов зондового «бисквита». Конечно, силу смещения можно получать и с помощью других средств, например, градиента давлений или с помощью магнитной силы, если необходимо.
Отклонение зонда можно измерять многими различными способами, включающими в себя (но не ограниченными) технологию оптического затвора, интерферометрию и зонды, покрытые пьезоэлектрическим материалом, а также выявление термических колебаний в тепловом излучении нагретого зонда. Кроме того, хотя использование пьезоэлектрических приводов для контроля движения зонда, или предметной пластины, является предпочтительным, предусмотрены и другие приводы, в которых задействовано, например, термическое расширение приводного вала, или катушка линейного электропривода.
Зондовый бисквит также можно использовать в устройстве для зондовой микроскопии, сконструированном для мониторинга других взаимодействий между зондом и образцом. Примеры других взаимодействий могут включать в себя оптические, емкостные, электромагнитные, магнитные, электрические взаимодействия, взаимодействия, связанные с касательной или поперечной силой, или термические взаимодействия.