DE69923999T2

DE69923999T2 - Elektrostatischer kraftmessfühler mit ausleger und abschirmung

Info

Publication number: DE69923999T2
Application number: DE69923999T
Authority: DE
Inventors: Toshio Matsudo UEHARA; T. Bruce WILLIAMS; Akiyoshi Matsudo ITOH; Katsuji Edogawa-ku NAKAGAWA; Manabu Matsudo TANI
Original assignee: Trek Inc
Current assignee: Trek Inc
Priority date: 1998-11-06
Filing date: 1999-11-05
Publication date: 2006-05-11
Anticipated expiration: 2019-11-06
Also published as: WO2000028338A1; EP1135691A4; JP2002529743A; EP1135691B1; CN1244817C; CN1333875A; US6337478B1; ATE290217T1; EP1135691A1; HK1040770B; JP5254509B2; DE69923999D1; HK1040770A1

Description

Hintergrund der Erfindung
Ausdrucke mit höherer Ortsauflösung und qualitativ bessere Vollfarbbilder werden stets in der Elektrofotografie-Technologie erwartet. Der Fotorezeptor ist eine Schlüsselvorrichtung, um hochqualitative Ausdrucke zu erhalten. Während einerseits benötigt wird, eine genaue Messung der Ladungsverteilung auf einer Fotorezeptortrommel durchzuführen, ist andererseits die Ortsauflösung von derzeit erhältlichen Vorrichtungen ziemlich gering. Eine Ladungsverteilungsmessung mit einer sehr hohen Ortsauflösung wird in beidem, in der Elektrofotografie und in der Halbleiterforschung benötigt. Es wäre wünschenswert, ein Messsystem zu realisieren, welches der Ladungsverteilungsmessung ermöglicht, eine Ortsauflösung von weniger als 10 μm im Durchmesser bei Verwendung der elektrostatischen Kraft zu haben. Laserdrucker können bereits eine Ortsauflösung von 600 dpi oder höher haben, welche anzeigt, dass jeder Pixel ungefähr einen Durchmesser von 21 μm hat. Studien wurden in Bezug auf das Abtastungs-Elektrostatikkraft-Mikroskop durchgeführt, jedoch wurden die theoretischen Aspekte dieser Studien nur auf die Analyse der Parallelplattenmodelle erstreckt und es wurde keine weitere Diskussion in Bezug darauf durchgeführt, wie die Detektornadel die Ladungsverteilungsmessung beeinflussen würde.
Ein Sensor, geformt wie ein Ausleger, wird normalerweise für Atomkraft-Mikroskope, Elektrostatikkraft-Mikroskope und Messinstrumente ähnlicher kritischer Dimension verwendet. Der Ausleger für diese Anwendungen besteht immer aus einer Nadel oder einem Spitzendetektorteil und einem Armteil. Wenn eine elektrostatische Kraft an dem Nadelteil auftritt, tritt eine andere elektrostatische Kraft, die durch dasselbe elektrostatische Feld verursacht wird, an dem Armteil auf, was Messfehler hervorrufen sollte. Es wäre deshalb höchst wünschenswert, das Armteil abzuschirmen, um ein Auftreten der elektrostatischen Kraft an dem Armteil zu verhindern, so dass die Genauigkeit der Messung verbessert werden kann. Eine Abschirmung ist in Anspruch 1 der WO-A1-98-13 663 offenbart.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ist in ihren weitesten Aspekten durch die Ansprüche 1 und 6 definiert. Sie stellt ein Elektrostatikkraft-Mikroskop bereit zum Messen einer elektrostatischer Kraft einer getesteten Probe bereit einschließlich eines Detektors, der einen Auslegearm aufweist, mit einer Ausbildung an einem Ende und der so angeordnet ist, dass die elektrostatische Kraft an der Spitze induziert wird aufgrund der elektrostatischen Ladung auf der getesteten Probe, eines optischen Systems, um die Biegung des Auslegearms aufgrund der an der Spitze induzierten elektrostatischen Kraft in ein elektrisches Signal umzuwandeln, das Frequenzkomponenten der an der Detektorspitze induzierten elektrostatischen Kraft enthält, Mitteln, um an den Detektor eine Vorspannung anzulegen, Mitteln, um die Frequenzkomponente der an der Detektorspitze induzierten elektrostatischen Kraft zu erfassen, so dass eine Messung der elektrostatischen Kraft der getesteten Probe erhalten werden kann, und einer elektrostatischen Abschirmung, die dem Auslegearm funktional zugeordnet ist, wobei sich die elektrostatische Abschirmung zwischen dem Auslegearm und der getesteten Probe befindet, wobei die Abschirmung in naher Abstandsbeziehung zu dem Arm ist. Der Auslegearm und die Abschirmung werden auf demselben elektrischen Potential gehalten, so dass die Linien der elektrostatischen Kraft an der Abschirmung beendet werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein schematisches Diagramm eines Elektrostatikkraft-Mikroskops gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine diagrammatische Ansicht eines Parallel-Ebenen-Modells;
3 ist eine diagrammatische Ansicht, welche das Netz für die FEM-Berechnung darstellt;
4–6 sind Graphen, welche Aspekte der vorliegenden Erfindung darstellen;
7 ist eine Tabelle, welche Vergleichsdaten bereitstellt, welche die Sensibilität des Auslegers in dem Detektor der vorliegenden Erfindung darstellt;
8 ist eine diagrammatische Ansicht, welche das Netz für die Berechnung der Finiten Elemente darstellt;
9 ist ein Graph, welcher einen anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung darstellt;
10A–10C sind diagrammatische Ansichten, welche verschieden geformte Detektoren gemäß der vorliegenden Erfindung darstellen;
11 ist eine diagrammatische perspektivische Ansicht, welche einen planmäßigen Kopf eines Elektrostatikkraft-Mikroskops gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt; und
12 ist eine diagrammatische Ansicht, welche die Abschirmung gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
Detaillierte Beschreibung der dargestellten Ausführungsformen
Eine charakteristische Anordnung eines elektrostatischen Mikroskops, für welches die vorliegende Erfindung anwendbar ist, ist in 1 gezeigt. Das System besteht aus einem feinen Detektor mit einem Ausleger generell mit 10 bezeichnet und umfassend einen Arm 12 und eine Nadel oder Spitze 14, ein optisches System 20 umfassend einen Laser 22 und einen Fotodetektor 24, eine Detektionsschaltung 30, eine getestete Probe 40 funktional zugeordnet zu einem Aktor 44, wie einem piezoelektrischen Treiber, welcher sinngemäß funktional einem Scanner 48 für den Aktor 44 zugeordnet ist, einen Prozessor 50 verbunden mit dem Ausgang der Detektionsschaltung 30, eine steuerbare Quelle 60 einer Gleichspannung, eine Rückkopplungsschaltung 70 mit einem Eingang verbunden mit dem Ausgang der Detektionsschaltung 30 und einen Ausgang verbunden in Steuerungsbeziehung mit einer Gleichstromquelle 60 und einer Wechselstromquelle 80. Die getestete Probe 40 ist verbunden zwischen der Gleichstromquelle 60 und einer elektrischen Erde oder Referenz.
Die Kombination der Gleichstromquelle 60 und der Wechselstromquelle 80 ist verbunden mit dem Detektorarm 12 und der Detektionsschaltung 30.
Die elektrostatische Kraft wird an der Spitze 14 des Detektors induziert aufgrund einer Ladung auf der getesteten Oberfläche 40. Die elektrostatische Kraft verursacht eine Biegung an dem Ausleger, von welchem eines der beiden Enden an dem massiven Körper eines Umwandlers 90 befestigt ist. Die Biegungsmenge wird in ein elektrisches Signal mit dem optischen Hebelverfahren umgewandelt. Eine externe Vorspannung, welche aus Gleichstrom und Wechselstrom besteht, wird über den Leiter 92 an den Detektor angelegt, um die Polaritäten der Ladung zu unterscheiden. Die Vorspannung V_t ist durch Gleichung (1) unten gegeben. Dann erhält der Detektor die Vibrationskraft, welche die Frequenzkomponenten von ω und 2 × ω enthält. Wenn die Beziehung zwischen der Spitze des Detektors und dem Metallsubstrat als ein Parallel-Ebenen-Modell wie in 2 gezeigt erachtet wird, geben die folgenden Gleichungen (2) und (3) die Information von ω und 2 × ω Komponenten von der elektrostatischen Kraft an, welche an der Probenspitze auftritt. Vt = VACSinωt + VDC (1)
In den vorangehenden Gleichungen ist V_t die externe Vorspannung, ρ ist die Dichte der Ladungsverteilung, ϵ ist die dielektrische Konstante der getesteten Probe, d_o ist der Abstand zwischen der Detektorspitze und der getesteten Oberfläche, d ist der Abstand zwischen der Detektorspitze und dem Metallsubstrat und S ist der jeweilige Bereich der Platte. Wenn ϵ und d_o bekannt wären, könnte man ρ durch Herausfinden von F_ω (ω-Komponente der elektrostatischen Kraft) erhalten, oder durch Messung von V_DC, welche an den Detektor als eine Rückkopplung gegeben wird, um F_ω Null werden zu lassen. Wenn d_o Null ist, bedeutet es, dass die getestete Oberfläche ein massives Metall ist. F_2ω gibt die Information über die Rauhigkeit der getesteten Oberfläche bei Steuerung von d, um F_2ω konstant zu machen. Da man die Ladungsvertei lung auf dem dielektrischen Film 100 messen muss, ist die Bedingung d_o = 0 nicht realistisch, weshalb man F_2ω direkt messen muss.
Um die elektrostatische Kraft zu erhalten, welche zwischen dem Detektor und der getesteten Oberfläche induziert wird, muss man zunächst die elektrostatische Spannungsverteilung berechnen, welche in dem Raum zwischen der getesteten Oberfläche und dem Detektor aufgrund einer Ladung auf der getesteten Oberfläche auftritt. Um der Sache des Erhaltens der Spannungsverteilung willen, wird die Poissonsche Gleichung gelöst: ∇2V = –ρ/εo (4)worin V die Spannung ist, die aus dieser Berechnung erhalten werden soll, ρ die Dichte der Ladungsverteilung ist, und ϵ_o die dielektrische Konstante von Vakuum ist. Man kann die elektrostatische Spannung mit einer Computererweiterung der numerischen Daten sichtbar machen. Das Verfahren der Finiten Elemente, eine Software für die UNIX work station entwickelt von Nihom Soken (Japan Research Institute, Limited), wird für die Computererweiterung verwendet.
Zweitens bestimmt man die elektrostatische Feldverteilung um den Detektor und die getestete Oberfläche durch Verwendung der o.g. Spannungsverteilung. Drittens berechnet man die elektrostatische Kraft, welche zwischen dem Detektor und der Ladung auf der getesteten Oberfläche induziert wird, aus Daten, welche durch die vorherigen zwei Schritte erhalten werden.
Die elektrostatische Kraft auf drei verschieden geformte Detektoren wurde berechnet. In einem Detektor hat die Spitze 110 eine Säulenform wie in 10A gezeigt, von welcher der Durchmesser an der Spitze 20 μm ist und die Länge der Spitze 50 μm ist, und in einem anderen Detektor hat die Spitze 112 eine Konusform wie in 10B gezeigt, von welcher der Durchmesser an dem Ausleger 20 μm ist mit einer Halbkugel 113 auf der Spitze, welche einen Durchmesser von 5 μm hat. Ein anderer Detektor hat eine Spitze 114 mit perfekter oder rechtkonischer Form wie in 10C gezeigt, von welcher der Durchmesser an dem Ausleger 20 μm ist und die Höhe 10 μm ist. Eine Netzanordnung 120 für die FEM-Berechnung für den Säulentyp-Detektor ist in 3 gezeigt. Eine feinere Berechnung wurde dem Bereich verliehen, welcher nahe zu der Spitze des Detektors ist. Die Berechnung neigt dazu, breiter zu sein in dem Bereich, welcher relativ weit weg von dem Detektor ist. Die Berechnung wird basierend auf den Bedingungen gemacht, dass:

1) Die getestete Oberfläche ein Metallsubstrat und eine Schicht eines dielektrischen Films mit einer Dicke von 15 μm–25 μm umfasst, von welchem die relative Dielektrizitätskonstante 3 ist.
2) Der Detektor sich oberhalb der getesteten Oberfläche befindet. Der Abstand zwischen der Detektorspitze und dem Metallsubstrat 30 μm ist.
3) Eine Ladung von 1fC(1 × 10–15C) sich unterhalb des Detektors auf der getesteten Oberfläche befindet.

Jede Berechnung der elektrostatischen Kraft wurde für die drei verschieden geformten Detektoren angegeben. Nach den Berechnungen wurde die Dicke des dielektrischen Films von 15 μm auf 25 μm geändert. Die Ergebnisse von diesen Berechnungen liefern Informationen darüber, wie der Formunterschied der Detektoren die Ladungsdetektion beeinflussen kann.
Die berechneten Werte in den 4–6 zeigen die senkrechte Komponente der elektrostatischen Kraft, welche auf dem Detektor an der getesteten Oberfläche erzeugt wird. Es kann bestätigt werden, dass der Detektor, welcher einen breiteren Bereich an der Spitze hat, welche parallel zu der getesteten Oberfläche ist, eine größere elektrostatische Kraft erzeugen kann. Das Ergebnis zeigt an, dass die Sensitivität geopfert werden sollte, wenn eine höhere Ortsauflösung gewünscht ist oder umgekehrt. Dann ist die Form des Detektors immer Gegenstand der Abwägung in Bezug auf die benötigte Ortsauflösung. Es ist bestätigt, dass, je weiter der Bereich der Detektorspitze ist, welcher die getestete Oberfläche sieht, desto größer ist die elektrostatische Kraft, welche detektiert werden wird.
Für ein herkömmliches Parallel-Platten-Modell wird die Ladungsmenge auf der getesteten Oberfläche erhalten durch zuerst das Ermitteln einer Kapazität anhand Be nutzung einer elektrostatischen Kraft auf dem Detektor, dann Ermitteln der Ladungsmenge durch Verwenden der Kapazität, welche als eine Konstante für die mathematische Formel (2) hierin verwendet wurde. Was getan wurde ist den entsprechenden Bereich als das Parallel-Platten-Modell für den säulenförmigen Detektor bei d_o = 20 [μm], zu ermitteln, dann die Veränderung der elektrostatischen Kraft von dem Parallel-Platten-Modell in Bezug auf die Veränderung von d_o mit einer gepunkteten Linie in 4 aufzutragen. Der aktuelle Bereich von diesem Parallel-Platten-Modell ist 282 [μm]². Insbesondere, Bezug nehmend auf 4 ist die Kurve 130 für den Säulentyp-Detektor bezeichnet als 110 in 10A, die Kurve 132 ist für den Konus mit Halbkugelspitzentyp 112 aus 10B, die Kurve 134 ist für die Konusart 114 aus 10C und die Kurve 136 ist für das Parallel-Platten-Modell. Es ist herausgefunden worden, dass die Ergebnisse auch von dem Säulenmodelldetektor, welcher sehr nahe bei dem Parallel-Platten-Modell in der Form von den drei verschiedenen Modellen ist, verschieden von den Ergebnissen des Parallel-Platten-Modells sind.
Der Fehler zwischen dem Parallel-Platten-Modell und der neuen Berechnung erhöht sich, wenn der Abstand zwischen dem Detektor zu der getesteten Oberfläche (d–d_o) abnimmt, und wenn der Abstand d_o = 25 [μm] erreicht, wobei 50% des Fehlers vorausgesehen werden müssen. Dieses Ergebnis zeigt an, dass der entsprechende Bereich in dem Bereich Parallel-Platten-Modell auf dem aktuellen Detektor sich ändert, wann immer sich die Filmdichte des dielektrischen Materials (getestete Oberfläche) ändert.
Um die Filmdichtemessung bei Verwendung der 2 × ω Komponente zu berücksichtigen, ist es notwendig, entweder den entsprechenden Bereich in dem Parallel-Modell an mehreren verschiedenen Orten zu ermitteln gemäß dem Unterschied der Filmdicke, oder die aktuelle elektrostatische Kraft zu analysieren, welche direkt an dem Detektor auftritt. Der Fehler in Verbindung mit der Veränderung der Filmdicke mit d_o = 20 [μm] als eine Referenz ist in 5 gezeigt. Insbesondere ist die Kurve 140 für den Säulentyp-Detektor bezeichnet als 110 in 10A, die Kurve 142 ist für den Konus mit Halbkugelspitzentyp 112 aus 10B und die Kurve 144 ist für den Konustyp 114 aus 10C. Man kann den Fehler von –50% bis 250% gemäß der Filmdicke von 20 [μm] ± 5 [μm] erkennen, besonders, dass der Fehler zunimmt, wenn der Detektor näher an die getestete Oberfläche gelangt. Deshalb zeigt das Ergebnis an, dass die genaue Ladungsmenge nicht mit einem Parallel-Platten-Modell ermittelt werden kann, wenn die getestete Oberfläche nicht völlig flach ist. Um den Fehler auf weniger als 10% zu drücken ist es notwendig, die Filmdickenmessung mit einer Auflösung mit 0,1 bis 0,5 [μm] durchzuführen.
Wenn die dielektrische Konstante nicht unendlich ist und der Boden der getesteten Oberfläche flach ist, kann die Filmdicke mit dem folgenden Verfahren gemessen werden. Zuerst wird es der Detektorspitze ermöglicht das Bodenteil der getesteten Oberfläche zu berühren, so dass der Referenzpunkt kalibriert ist. Dann wird die Position des Detektors aufwärts bewegt unter Verwendung der Kombination des Piezoelements 44 und des Scanners 48 gezeigt in 1 und die Position des Detektors wird an diesem hohen Punkt festgesetzt. Die Abweichungsmenge des Detektors wird detektiert durch Messung der Spannungsänderung an dem Piezoelement. Dann berechnet man jede F_2ω-Komponente für die verschiedenen Filmdicken des dielektrischen Films bei einem festen Abstand zwischen der Detektorspitze und der getesteten Oberfläche im Voraus, so dass die berechneten Ergebnisse als der Parameter für die Filmdickenmessung verwendet werden können. Deshalb ist es möglich die Filmdicke aus den Messdaten und Berechnungsergebnissen zu ermitteln.
Die elektrostatische Kraft an dem Detektor (F_2ω-Komponente) wird in Verbindung mit dem Filmdickenwechsel berechnet. Eine Wechselstromvorspannung von 10 V wird an den Detektor angelegt. Die Ergebnisse werden in 6 angezeigt. Insbesondere ist die Kurve 150 für den Säulentyp-Detektor bezeichnet als 110 in 10A, die Kurve 152 ist für den Konus mit Halbkugelspitzentyp 112 aus 10B, und die Kurve 154 ist für den Konustyp 114 aus 10C. Die geringste elektrostatische Kraft wurde erwartet von dem kleinen konisch geformten Detektormodell. Ungefähr 12 [pN] von dem elektrostatischen Kraftunterschied aufgrund der Filmdickenänderung von 0,5 [μm] könnte detektiert werden, und die detektierbare elektrostatische Kraft ist aufgrund der Filmdickenänderung größer als die Auflösung von herkömmlichen Atomkraft-Mikroskopen (AKM) in der Kraftdetektion. Das bestätigt auf Berechnungsbasis, dass die Messung von d_o mit einer Auflösung von 0,5 [μm] erreicht werden sollte anhand der Verwendung des leichten Hebels.
Basierend auf den obigen Berechnungsergebnissen, werden mehrere Detektoren hergestellt, welche an jeden Ausleger angebracht werden, von welchem die Spitze von einigen wenigen zu 10 [μm] im Durchmesser ist. Das für die Detektoren gewählte Material ist Nickelfolie, von welcher die Federkonstante in dem Bereich von einigen wenigen bis 10 mN/m ist. Die physikalischen Dimensionen und die Federkonstante des Detektors und des Auslegers, welche hergestellt wurden, und diese Charakteristiken von den herkömmlich erhältlichen Atomkraft-Mikroskop (AKM) Detektoren mit Ausleger werden in der Tabelle in 7 gezeigt. Wie erwähnt wird die Federkonstante von den Auslegern, welche hergestellt werden, fast gleich zu der Federkonstante von herkömmlichen AKM-Auslegern gewählt. Es kann dort ermittelt werden, dass der Detektor davon einen Durchmesser der Spitze von kleiner als 5 [μm] hat. Die elektrostatische Ladungsmessungsauflösung von weniger als 1 [fC]c, welche einige wenige [pN] elektrostatischer Kraft an der Detektorspitze erzeugen kann, sollte mit einer Ortsauflösung von 10 [μm] erreicht werden. Zweitens wurde die an dem Detektor aufgetretene elektrostatische Kraft durch das Berechnungsverfahren wie in 4 gezeigt berechnet. Das Berechnungsmodell und die Ergebnisse werden jeweils in den 8 und 9 gezeigt. Insbesondere wird eine Netzanordnung 160 für die FEM-Berechnung in 8 gezeigt, und die Kurven 162 und 164 in 9 sind jeweils für die F_ω- und F_2ω-Komponenten. Jedoch sollte bemerkt werden, dass die Berechnung nur für den einen Viertelteil der aktuellen dreidimensionalen Modelle gegeben wurde bei Verwendung der symmetrischen Natur des Berechnungsmodells aufgrund der Begrenzung der Speicherablagekapazität des Computersystems, wobei die Detektornadel relativ lang ist, so dass es notwendig war große Zahlen von Elementen und Knoten an dem FEM zu berechnen.
Von diesen Berechnungsergebnissen wurde gefunden, dass der Detektionsfehler in jedem [μm] für den Film mit einem 20 [μm] 19,5%/μm war, und zur Verringerung des Detektionsfehlers auf weniger als 10%/μm es notwendig ist, eine Filmdickenmessung mit einer Auflösung von weniger als 0,5 [μm] anzugeben. Wenn eine V_AC = 15 V an den Detektor angelegt wurde, hat sich F_2ω geändert bei einem Verhältnis von 1 pN/μm aufgrund des Wechselstromfeldes. Deshalb kann die Filmdickenmessung erreicht werden bei einer Auflösung von 0,5 [μm]. Unter der vorherigen Vorspannungsbedingung für die Messung, war die Feldstärke an der Detektorspitze 5,8 × 10⁶ [V/m]. Diese Feldstärke ist klein genug verglichen mit der Feldstärke von 10⁹ [V/m], bei welcher Koronaentladung vermutet wird zu beginnen, so dass keine Koronaerzeugung erwartet wird. Deshalb ist es möglich, beides, Filmdicke und Ladungsmenge auf einer getesteten Probe zu messen, durch Verwendung des Detektors der vorliegenden Erfindung. Zusätzlich kann das fehlerhafte Ablesen einer Ladungsmenge aufgrund der Veränderung der Filmdicke auf weniger als 10% verringert werden.
Das schematische Diagramm des planmäßigen Kopfes in 11 stellt weiter das Elektrostatikkraft-Mikroskop, welches hierin beschrieben wurde, dar. Der Detektor 170 hat eine Spitze 172 an einem Ende des Auslegearms 174, und das andere Ende des Arms 174 ist an einem Körper 176 befestigt funktional zugeordnet zu einem Steuergerät 178 für den Auslegerwinkel und einem Mikrometerkopf. Ein Laserkopf 180 stellt einen Strahl 182 bereit, welcher durch die Linie 184 auf den Detektor 170 fokussiert ist. Ein Spiegel 186 leitet den reflektierten Strahl 188 auf eine zylindrische Linse 190, welche den Strahl auf einen Fotodetektor 192 konzentriert. Die getestete Oberfläche 194 ist auf einem Piezoaktor 196 funktional zugeordnet zu einem X-Y Stativ 198.
Mit dem Verfahren und der Vorrichtung wie hierin beschrieben, kann eine Abtastung in einem relativ großen Bereich, zum Beispiel einigen 100 cm², bereitgestellt werden mit relativ hoher Ortsauflösung und genauer Messung der Ladungsverteilung. Der Einfluss auf die Form der Detektorspitze oder -nadel wird berücksichtigt, und eine Korrektur wird bereitgestellt für den Einfluss der Veränderung der dielektrischen Filmdicke auf der getesteten Probe. Durch Analyse der elektrostatischen Kraft an dem Detektor mittels des Verfahrens der Finiten Elemente, welches zuvor beschrieben wurde, wird eine Schätzung des Einflusses aufgrund der Form des Detektors und der Veränderung der Filmdicke bereitgestellt. Zur Messung einer genauen Menge der Ladungsverteilung, wenn es notwendig ist die Filmdickenmessungen durchzuführen. Der Fehler wird berechnet in Abhängigkeit von der Filmdicke, und das Filmdickenmessungsverfahren wird ausgeführt durch Detektion von F_2ω.
Der Elektrostatikkraft-Detektor mit dem Ausleger wie hierin beschrieben wurde entworfen und gefertigt, so dass elektrostatische Ladung auf einem dielektrischen Film detektiert werden kann, welcher auf einer leitenden Oberfläche positioniert ist. Es wurde ermittelt, dass bei dem Verfahren des Wissens der elektrostatischen Ladungsmenge auf einer bestimmten Dicke des Films d_o durch Ermittlung der elektrostatischen Kraft, sich die elektrostatische Kraft gemäß der Veränderung der Filmdicke d_o ändert, weil der entsprechende Detektorspitzenbereich, welcher die getestete Oberfläche sieht, sich verändert aufgrund der Veränderung von d_o. Ein paar konkrete Beispiele sind auch gezeigt worden. Die absolute Menge des Fehlers, welcher durch die Veränderung der Filmdicke erzeugt wurde, ist berechnet worden, um zu beweisen, dass das Wissen der absoluten Menge der elektrostatischen Ladung auf dem Film nicht erreicht werden kann, ohne die Daten durch das Wissen der dielektrischen Filmdickenveränderung zu kompensieren. Ein Filmdickenmessungsverfahren ist vorgeschlagen worden mit Detektion der F_2ω-Komponente aus angelegter Wechselstromvorspannung und es wurde bestätigt, dass der Fehler auf weniger als 10% theoretisch verringert werden kann aufgrund der Veränderung der Filmdicke d_o. Ein Detektor mit Ausleger wurde aus Nickelfolie gemacht. Die an dem Detektor aufgetretene elektrostatische Kraft wurde berechnet, um die Möglichkeit der elektrostatischen Ladungsdetektion mit weniger als 1fC Sensitivität und einer Ortsauflösung von 10 [μm] zu bestätigen. Aus diesen Ergebnissen kann eine gleichzeitige Messung von beidem, elektrostatischer Ladung und Filmdicke einer getesteten Probe erreicht werden, so dass man die Messung der absoluten Menge der elektrostatischen Ladung auf einer getesteten Probe erwarten kann.
In dem hierin beschriebenen Elektrostatikkraft-Detektor tritt, wenn eine elektrostatische Kraft oder an der Detektorspitze 14 oder an dem Nadelabschnitt auftritt oder angelegt wird, eine zusätzliche elektrische Kraft verursacht durch das selbe elektrostatische Feld an dem Armabschnitt 12 des Detektors auf, welche einen Messfehler und eine Verringerung der Ortsauflösung verursachen kann. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Auslegearmabschnitt des Detektors abgeschirmt, um das Auftreten der elektrostatischen Kraft an dem Armabschnitt zu verhindern, so dass die Genauigkeit der Messung verbessert werden kann. Bezug nehmend auf 12 wird ein Detektor 200 eines Atomkraft-Mikroskops oder eines Elektrostatikkraft-Mikroskops gezeigt. Der Detektor 200, wie der Detektor 10 gezeigt in 1, enthält einen Auslegerarm 202 und eine Nadel oder Spitze 204. Die Nadel 204 kann verschiedene Formen und Größen haben, und in dem Detektor 200 der vorliegenden Erfindung hat die Nadel 204 eine Länge größer als die von bekannten Detektoren dieses Typs. Die dargestellte Form der Nadel 204 gezeigt in 12 ist eine Säule mit einer Halbkugel am Ende. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine elektrostatische Abschirmung 210 funktional zugeordnet zu mit dem Auslegearm 202 des Detektors 200. Die Abschirmung 210 ist aus Metall, in der Form eines gedehnten Bandes, und befindet sich zwischen dem Auslegerarm 202 und der getesteten Probe (nicht gezeigt in 12) und in naher Abstandsbeziehung zu dem Arm 202. Die Länge der Abschirmung 210 ist bevorzugt dieselbe wie die des Arms 202, wenigstens ausreichend, um den Abschnitt der Länge des Arms 202 abzuschirmen, welcher der getesteten Probe ausgesetzt ist. In der Anordnung dargestellt in 12, ist die Breite der Abschirmung 210 größer als die Breite des Arms 202. Jedoch kann die Abschirmung 210 jede gewünschte Breite haben, typischerweise mindestens ungefähr dieselbe wie die Breite des Arms 202.
Der Auslegerarm 202 und die Abschirmung 210 müssen auf einem gleichen elektrischen Potential gehalten werden, dann werden die Linien der elektrischen Kraft an der Abschirmung 210 beendet und die Kraft an dem Armabschnitt 202 durch das elektrostatische Feld, welches erzeugt werden muss, wenn die Abschirmung 210 nicht in dem Ausleger 202 eingesetzt ist, wird vernachlässigt. Dies wird diagrammatisch in 12 dargestellt durch die Quelle 216 des elektrischen Potentials angelegt an beide, Arm 202 und Abschirmung 210. Andere Anordnungen können natürlich verwendet werden, um den Arm 202 und die Abschirmung 210 auf demselben elektrischen Potential zu halten.
Eine mathematische Analyse kann zeigen, wie effektiv die Abschirmung funktioniert, um den Effekt der elektrostatischen Kraft zu verringern. Es ist bestätigt worden, dass die Kraft, welche an dem Armabschnitt 202 in Bezug auf die Kraft, welche an der Nadel 204 aufgetreten ist, 42% war, wobei die Kraft, welche an dem Armabschnitt 202 in Bezug auf die Kraft, welche an der Nadel 204 aufgetreten ist, 0,15% geworden ist nachdem die Abschirmung 210 eingesetzt wurde und die Auswirkung der Kraft, welche an dem Armabschnitt 202 aufgetreten ist, größtenteils vernachlässigbar geworden ist.

Claims

Elektrostatikkraft-Mikroskop zum Messen der elektrostatischen Kraft einer getesteten Probe, das umfasst: a) einen Detektor (10), der einen Auslegerarm (12) aufweist, der an einem Ende eine Struktur (14) besitzt und so angeordnet ist, dass an der Spitze aufgrund der elektrostatischen Ladung auf der getesteten Probe eine elektrostatische Kraft induziert wird; b) ein optisches System (20), um die Biegung des Auslegerarms aufgrund der an der Spitze induzierten elektrostatischen Kraft in ein elektrisches Signal umzuwandeln, das Frequenzkomponenten der an der Detektorspitze induzierten elektrostatischen Kraft enthält; c) Mittel (92), um an den Detektor eine Vorspannung anzulegen; d) Mittel (30), um die Frequenzkomponente der an der Detektorspitze induzierten elektrostatischen Kraft zu erfassen, so dass eine Messung der elektrostatischen Kraft der getesteten Probe erhalten werden kann; e) eine elektrostatische Abschirmung (210), die dem Auslegerarm funktional zugeordnet ist und sich in enger räumlicher Beziehung zu dem Auslegerarm zwischen dem Auslegerarm und der getesteten Probe befindet; und f) Mittel (216) zum Halten des Auslegerarms und der elektrostatischen Abschirmung auf dem gleichen elektrischen Potential.
Elektrostatikkraft-Mikroskop nach Anspruch 1, bei dem die elektrostatische Abschirmung aus Metall besteht.
Elektrostatikkraft-Mikroskop nach Anspruch 1, bei dem die elektrostatische Abschirmung lang gestreckt ist und eine Länge und eine Breite besitzt, die ausreichen, um den Abschnitt des Auslegerarms, der zu der getesteten Probe freiliegt, abzuschirmen.
Elektrostatikkraft-Mikroskop nach Anspruch 1, bei dem der Auslegerdetektorarm aus einem Metallstreifen gebildet ist und bei dem die Spitzenstruktur eine Form hat, die so gewählt ist, dass eine vorgegebene Auflösung der Messung der elektrostatischen Ladung geschaffen wird.
Elektrostatikkraft-Mikroskop nach Anspruch 1, bei dem die Mittel zum Anlegen einer Vorspannung an den Detektor Mittel umfassen, um an den Detektor die Kombination aus einer Wechselvorspannung und einer Gleichvorspannung anzulegen, so dass die Frequenzkomponente der elektrostatischen Kraft, die an der Detektorspitze induziert wird und der doppelten Frequenz entspricht, erfasst wird, so dass gleichzeitig sowohl die elektrostatische Kraft als auch die Schichtdicke der getesteten Probe gemessen werden können.
Verfahren zum Bestimmen der elektrostatischen Kraft, die zwischen einem Auslegerarmdetektor (10) eines Elektrostatikkraft-Mikroskops und der elektrostatischen Ladung auf einer Oberfläche der getesteten Probe induziert wird, umfassend: a) Vorsehen einer elektrostatischen Abschirmung (210), die dem Auslegerarm (12) funktional zugeordnet ist, Anordnen der elektrostatischen Abschirmung in einer engen räumlichen Beziehung zu dem Auslegerarm zwischen dem Auslegerarm und der getesteten Probe und Halten des Auslegerarms und der elektrostatischen Abschirmung auf dem gleichen elektrischen Potential; b) Bestimmen der Verteilung der elektrostatischen Spannung zwischen dem Detektor und der Probenoberfläche, die durch die elektrostatische Ladung auf der Probenoberfläche bedingt ist; c) Verwenden der im Schritt (b) erhaltenen Verteilung der elektrostatischen Spannung, um die Verteilung des elektrostatischen Feldes um den Detektor und die getestete Oberfläche zu bestimmen; und d) Verwenden der im Schritt (c) erhaltenen Verteilung des elektrostatischen Feldes und der im Schritt (b) erhaltenen Verteilung der elektrostatischen Spannung, um die zwischen dem Detektor und der Ladung auf der getesteten Probe induzierte elektrostatische Kraft zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 6, das das Abschirmen des zu der getesteten Probe freiliegenden Abschnitts des Auslegerarms umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6 und zum Messen der Dicke einer dielektrischen Schicht auf einer Oberfläche einer getesteten Probe unter Verwendung des Elektrostatikkraft-Mikroskops nach Anspruch 1, wobei das Verfahren umfasst: a) Hervorrufen einer relativen Bewegung zwischen dem Detektor des Elektrostatikkraft-Mikroskops und der getesteten Oberfläche, so dass die Detektorspitze mit der dielektrischen Schicht in Kontakt gelangt, um einen Referenzpunkt zu kalibrieren; b) Hervorrufen einer relativen Bewegung zwischen dem Detektor und der Oberfläche, um eine Position des Detektors in einem räumlichen Abstand zu der getesteten Oberfläche festzulegen; c) Erfassen der Auslenkung des Detektors; und d) Bestimmen der Frequenzkomponente der an der Detektorspitze induzierten elektrostatischen Kraft, die bei einem festen Abstand zwischen der Detektorspitze und der getesteten Oberfläche der doppelten Frequenz für die Dicke der dielektrischen Schicht entspricht, so dass die Schichtdicke bestimmt werden kann.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Komponente mit der doppelten Frequenz aus der angelegten Gleichvorspannung erfasst wird, um einen Fehler aufgrund einer Änderung der Schichtdicke zu verringern.