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 ausgewähl- ten 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 bei einander. Kontakte und Leiterbahnen mit Breiten und Abständen von 0, 25 um 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 Vorrichtungen bekannt geworden [z. B. 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)], 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 ge- eignete, 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 Ober- flächen-Topologie erfolgt dabei dadurch, daß der Abstand der Probenspitze von der Oberfläche bei der Abtastung konstant gehalten wird (sog."constant height rnode")

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 Anforde- rungen, 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, Juni'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 überlicherweise ver- wendeten, 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-Ver- fahren 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 elek- trische 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 1QQ °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 Temperaturab- hängigkeit des piezoresistiven Effekts mit vergleichsweise einfachen Mitteln berück- sichtigt 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 Ober- fläche des Bauelements positioniert werden können.

Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit den beiligenden Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen : Fig. 1 die Unteransicht einer erfindungsgemäßen Meßanordnung ; Fig. 2 bis 4 Schnitte längs der Linien II-II bis IV-IV der Fig. 1, wobei in Fig. 4 eine Probenspitze der Einfachheit halber weggelassen wurde ; Fig. 5 eine Draufsicht auf die Meßanordnung nach Fig. 1 ;

Fig. 6 schematisch die Anwendung der Meßanordnung nach Fig. 1 bis 4 ; Fig. 7 schematisch eine Schaltungsanordnung für die Meßanordnung nach Fig. 6 ; Fig. 8 eine Resonanzkurve für einen Biegebalken der Meßanordnung nach Fig. 1 ; Fig. 9 eine mit der Schaltungsanordnung nach Fig. 7 erhaltene Meßkurve ; Fig. 10 die Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Meßanordnung ; und Fig. lla bis llg schematiseh die Herstellung der Meßanordnung nach Fig. 1 bis 4 ; Nach Fig. 1 bis 4 enthält eine erfindungsgemäße Meßanordnung einen einseitig eingespannten Biegebalken bzw. Cantilever 1 mit einem hinteren Endabschnitt l a und einen vorderen Endabschnitt 1b. Der hintere Endabschnitt la ist fest an einem Grundkörper 2 befestigt bzw. in diesem eingespannt, während der vordere End- abschnitt lb frei angeordnet ist. Der Endabschnitt lb kann daher unter Verbiegung des Biegebalkens 1 in Richtung eines Doppelpfleils v (Fig. 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 gemein- samen, isolierenden Schutzschicht 3 versehen.

Die Endabschnitt lb 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 Proben- spitze 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 Fig. 1 und 2 ist zwischen den beiden Endabschnitten la und lb und ins- besondere nahe dem festliegenden Endabschnitt la 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 AR/R = öl rI, + 6t n t ändert. Darin bedeuten R den Widerstand des Sensors 5, AR die Widerstandsände- rung, bIl und bt die laterale bzw. transversale Spannungskomponente und II, und Ih die transversalen bzw. lateralen, piezoresistiven Koeffizienten (vgl. z. B. Reichl et al in "Halbleitersensoren", expert-Verlag 198a, 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 lb 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 lb bewirkt.

Gemäß Fig. 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 l angeordnet und mit zwei auf der Unterseite des Grundkörpers 2 angeordneten Kontakt- flächen ("pads") Sa und 8b leitend verbunden sind. Entsprechend ist der Heizdraht- Aktuator 6 an zwei mit ihm in Serie liegende, zweite Zuleitungen 9a und 9b ange- schlossen, die mit Kontaktflächen 10a und 10b verbunden und wie die Kontaktflächen Sa, 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 lOb 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 Fig. 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 Kreu- zungsstellen zwischen den verschiedenen Zuleitungen bzw. dem Sensor 5 vermieden.

Die Zuleitung 11 und die Kontaktflächen Sa, 8b, lOa, lOb und 12 sowie die Proben- spitze 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 Siliciumdio. rid (SiO2) ie in dem Grundkörper 2 versenkt angeordneten Zuleitungen 7a, 7b können z. B. aus stark n-und/oder p-leitenden Xonen tn+ bzw. p+) irr Sici£. ium-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 Kontahrtflächen 10a, 1Ob verbunden sind.

An der Oberseite des Biegbalkens 1 ist, wie u. a. Fig. 5 zeigt, ein Streifen 15 aus einem Material angebracht, der einen im Vergleich zur Schutzschicht 3 bzw. zum Grundmaterial des Biegebalkens stark unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizien- ten besitzt, wie dies z. B. für Aluminium gilt. Der Streifen 15 besteht daher z. B. aus einem 1 um bis 3 um dicken Aluminiumfilm.

Die beschriebene Meßanordnung kann gemäß Fig. 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 Fig. 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 senkrech- ten XY-Ebene des gedachten Koordinatensystems mit je einem nur schematisch angedeuteten, piezoelektrischen S-und Y-Antrieb o1 bzw. 22 eines üblichen X/Y-Koordinatentisches hin-und herbewegbar ist. Gleichzeitig wird gemäß Fig. 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 Brücken- schaltung 24 geschaltet, von der eine für die Widerstandsänderung uR/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 Wechselspannungs- generators 26 angeschlossenen Wechselstromerzeuger 23a, andererseits einen an den Ausgang eines Reglers 27 angeschlossenen Gleichstromerzeuger 23b. Die Ausgangs- spannung des Wechselspannungsgenerators 26 wird auch einem zweiten Eingang des Vergleichers 25 als Referenzspannung zugeführt. Ein Ausgang des Vergleichers 5 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 Ober- fläche 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 Proben- spitze 4 bewegt und dann um z. B. 0, 5 5, um 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 Alumi- niumstreifen 15 einerseits und das angrenzende Material des Biegebalkens 1 bzw. der Schutzschicht 3 andererseits, so daß der Biegebalken 1 mit der Frequenz des Wechsel- stroms nach Art eines Bimetallstreifens geringfügig verbogen bzw. in mechanische Schwingungen versetzt wird, wobei die Amplitude dieser Schwingungen nur einige Manometer 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 schwingungs- fähigen 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 Ober- fläche 16, würde das vom Sensor 5 gemessene Signal dem anregenden Signal im wesentlichen ohne Phasenverschiebung folgen.

Tatsächlich wird die dem Heizdraht-Aktuator 6 zugeführte Gleichspannungskom- ponente jedoch so gewählt, daß sich die Probenspitze 4 in so großer Nähe der Ober- fläche 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 Fig. 8 schematisch zeigt, dem anregenden Signal um einen bestimmten Phasenwinkel nacheilt. Die Größe der sich ergebenden Phasenverschiebung \ ist vom mittleren, in Z-Richtung gemessenen Abstand der Probenspitze 4 von der Oberfläche 16 abhängig. Nach Fig. 8 ist die Phasenverschiebung Asc um so größer, je kleiner dieser Abstand wird.

Die Probenspitze 4 wird nun rasterförmig in S-und Y-Richtung über die Oberfläche 16 geführt, wie in Fig. 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 : Phasenverschiebullg a visewhen den vom Wechselspannungserzeuger 26 und vom Sensor 5 abgegebenen Spannungen.

Die jeweilige Phasenverschiebung Z 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 Gleichstromerseuger 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 Fig. 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 (Fig. 6) gegenüber einer vorgewählten Nullstellung If, 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 Fig. 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 (Fig. 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 Funktionsfahigkeit wird die anhand der Fig. 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 (Fig. 1) an eine Prüfschaltung 37 angeschlossen.

Zu Beginn einer jeden Probenphase für das Bauelement 17 werden die im Daten- speicher 34 vorliegenden Adressen ausgewählter Kontakte des Bauelements 17 zur Ansteuerung des X-und Y-Antriebs 21 bzw. 22 (Fig. 6) für die Meßanordnung nach Fig. 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, uN karm das Proben des Bauelements 17 durchgeführt werden, zu welchem Zweck mittels der Prüfschaltung 37 geeignete Ströme oder Spannungen an die elektrisch leitende Proben- spitze 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 Sign lrer- errungen 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 l gemäß Fig. 1 bis 4 beidseitig der Leiterbahn 11 zwei zu dieser parallele Leiterbahnen 38a, 38b angebracht werden, deren eine Enden am Endabschnitt lb 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 (Fig. 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 Fig. 1 bis 4 ausgerüstet, wobei die einzelnen Meßanordnungen mit separaten X-und Y-Antrieben 21, 22 unabhängig voneinander bewegbar sind. Um dabei alle vorhande- nen Probenspitzen 4 mit annähernd derselben Auflagekraft auf die Oberfläche 16 des Bauelements 17 auflegen zu können, werden die Heizdraht-Aktuatoren 6 der ver- schiedenen Meßanordnungen bei der Durchführung einer Untersuchung mit Hilfe der Gleichstromerzeuger 3b zur derartigen Erwärmung der verschiedenen Biegebalken 1 verwendet, daß sich die Probenspitzen 4 individuell in 7-wichtung bewegen und alle Probenspitzen 4 mit derselben Auflagekran, 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 Fig. 10 ausgebildet. Bei dieser Variante, die im übrigen dem Ausfüh- rungsbeispiel nach Fig. 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 a zu einer Mittelachse 44 des Biegebalkens 43 angeord- net. Dadurch können mehrere Probenspitzen 41 und 41a, wie in Fig. 10 angedeutet ist, stärker an einander angenähert werden, als dies bei der aus Fig. 2 ersichtlichen Anordnung möglich wäre.

Die Herstellung der Meßanordnung mit dem Biegbalken 1 bzw. 42 ist schematisch in Fig. lla bis llg angedeutet und kann mit den bei der Cantilever-Herstellung bekann- ten Verfahren erfolgen [z. B. T. Gotszalk, J. Radojewski, P. B. Grabiec, P. Duma- nia, F. Shi, P. Hudek und I. W. Rangelow in"Fabrication of multipurpose piezoresi- stive 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 Fig. 1 la 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 SjO2-Schutzschicht 46 versehen ist. Die Bearbeitung der Siliciumscheibe 45 erfolgt zu B. nach der sogenann- ten 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 (Fig. llb) einem anisotropen Näßätzschritt unterworfen, wodurch die Maske 47 unterätzt wird und eine konische Spitze bzw. Insel 48 entsteht. Anschlie- ßend wird die Oberfläche der Siliciumscheibe 45 mit einer z. B. 1, um dic. ken SiO2- Schicht 49 belegt, wie in Fig. 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 Silicium- scheibe 45 diffundiert oder durch Ionenimplantation eingebracht, um unterhalb der Fenster 50 p+-leitende Schichten 51 zu erzeugen, die z. B. die implantierten Zuleitun- gen 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. unter- schiedlichen 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 (Fig. 11d) zur Abdeckung der Schichten 51 können diese an einer ausgewählten Stelle, an der der piezoressistive Sensor 5 zu liegen kommen soll, durch eine p-leitende Schicht 53 verbunden werden (Fig. 11d), indem z. B. die SiO-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 piezoressistiven Sensor 5 (Fig. l, 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 Silicium- scheibe 45 mit einem Metall wie s. B. Alluminium beschichtet, das danach mit einem geeignten Ätzmittel (z. B. Phosphorsäure) überall dort weggeätzt wird, wo es nicht benötigt wird (Fig. 11e). Es verbleiben daher nur die eigentlichen Leiterbahnen 55 bzw. Kontaktflächen stehen (z. B. Sa, 8b usw. in Fig. 11. In entsprechender Weise können die Leiterbahnen 11 und 3Sa, 3'% b hergestellt werden. Bei diesem Verfahrens- schritt wird auch die Spitze 48 (Fig. 11b ! mit dem verwendeten Metall überzogen und damit elektrisch leitend gemacht.

Nachdem die verschiedenen, aus Fig. 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 (Fig. 11 f) bzw. angrenzend an einen den Grundkörper 2 bildenden Abschnitt 57 nur eine z. B. 10 bis 30 um dünne, den Biegebalken 1 (Fig. 2) bildende und die Spitze 48 (Fig. alb) 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/CCI2F2/Ar entfernt, wodurch die fertige, aus Fig. 1 bis 5 ersichtliche Meßanordnung erhalten wird (Fig. llg). Auf der mit der Spitze 48 versehenen

Breitseite kann dabei z. B. eine vorrübergehend aufgebrachte, 8, um dicke Schutz- schicht (z. B. AZ 4562) als Ätzmaske verwendet werden.

Im übrigen ist klar, daß die anhand der Fig. lla bis llg beschriebenen Verfahrens- schritte 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 angegebe- nen Formen, Abmessungen und Materialien der erfindungsgemäßen Messanordnung.

Beispielweise ist es möglich, die Brückenschaltung 24 (Fig. 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 Herstel- lungsverfahren nur als Beispiel, da es zahlreiche andere Methoden zur Herstellung den Cantilever und mit diesen verbundenen Teilen gibt. Weiter können die Zuleitungen Qa, 9b und der Heizdraht-Aktuator 6, wie Fig. 2 und 4 zeigen, mehr oder weniger weit vom Alurniniumstreifen 15 beabstandet sein. Möglich wäre es sogar, die Zulei- tungen 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 Ab- schirmung 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 beschriebe- nen Kombinationen angewendet werden können.