DE69012555T2 - Methode zur Herstellung von mikromechanischen Sensoren für AFM/STM/MFM-Profilometrie und mikromechanischer AFM/STM/MFM-Sensorkopf. - Google Patents

Methode zur Herstellung von mikromechanischen Sensoren für AFM/STM/MFM-Profilometrie und mikromechanischer AFM/STM/MFM-Sensorkopf.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Methode zur Herstellung von mikromechanischen Sensoren für die AFM/STM/MFM-Profilometrie, die aus einem Freiträger und einer integrierten Spitze oder aus einer integrierten Spitze auf einem Sockel bestehen. Die Erfindung bezieht sich auch auf einen Sensorkopf, der gemäß der Methode der Erfindung hergestellt wird.
  • Durch das Rastertunnelmikroskop (nachfolgend STM abgekürzt) erhielt die Entwicklung neuer Techniken zur Prüfung von Materialeigenschaften im Mikrobereich, die auf der Verwendung einer sehr feinen Spitze basieren, neue Impulse. Bei einer dieser Techniken wird das atomare Kräftemikroskop (nachfolgend AFM genannt) verwendet, mit dem, wie kürzlich nachgewiesen werden konnte, Leiter und Isolatoren profiliert und abgebildet werden können.
  • Bei einer ersten Ausführung des AFM (G. Binnig, C.F. Quate, Ch. Gerber, (1986) Atomic Force Microscope, Phys. Rev. Lett. 56, 930 - 933 und EP-A-0 223 918) wird die Oberfläche eines Objekts von einem Sensor profiliert, der aus einem federähnlichen Freiträger besteht; dieser ist an einem Ende starr befestigt und trägt an seinem freien Ende eine dielektrische Spitze. Durch die zwischen der Oberfläche des Objekts und der Spitze auftretende Kraft wird der Freiträger ausgelenkt und diese Auslenkung kann präzise gemessen werden, zum Beispiel von einer zweiten Spitze, die Teil eines STM ist. Man erreichte zunächst eine laterale räumliche Auflösung von 3 nm.
  • Bei einer anderen AFM-Version verwendete man zur Erfassung kein STM sondern optische Mittel. Bei dieser Version wurde eine Wolfram-Spitze am Ende eines Drahts auf einem piezoelektrischen Wandler montiert. Der Wandler bewirkt ein Schwingen der Spitze mit der Resonanzfreguenz des Drahts, der als Freiträger wirkt, und die Amplitude der Wechselstromschwingung wird von einem Laser-Überlagerungsinterferometer präzise gemessen. Der Gradient der Kraft zwischen der Spitze und der Probe verändert die elastische Nachgiebigkeit des Hebels und ruft daher eine Veränderung der Schwingungsamplitude hervor, die auf der Verschiebung der Hebelresonanz beruht. Sind die charakteristischen Eigenschaften des Hebels bekannt, kann man die Schwingungsamplitude als eine Funktion des Abstands zwischen Spitze und Probe messen, um den Gradienten der Kraft und damit die Kraft selbst abzuleiten (U.T. Duerig, J.K. Gimzewski, D.W. Pohl (1986) Experimental Observation of Forces Acting During Scanning Tunneling Microscopy, Phys. Rev. Lett. 57, 2403 - 2406; und Y. Martin, C.C. Williams, H.K. Wickramasinghe (1987) Atomic Force Microscope-Force Mapping and Profiling on a sub 100-A Scale, J. Appl. Phys. 61(10), 4723 - 4729).
  • Zu den kritischsten Komponenten des AFM zählt der federähnliche Freiträger. Da bei einer gegebenen Kraft eine maximale Auslenkung benötigt wird, muß der Freiträger so weich wie möglich sein. Gleichzeitig muß der Freiträger starr sein und eine hohe Eigenfrequenz aufweisen, um seine Empfindlichkeit gegenüber einem vom Gebäude ausgehenden Schwingungsrauschen zu minimieren. Üblicherweise haben Umgebungsschwingungen, in erster Linie Gebäudeschwingungen, eine Größenordnung von < 100 Hertz. Wird ein Freiträger mit einer Eigenfreguenz von fo &ge; 10 kHz ausgewählt, werden die Umgebungsschwingungen auf einen vernachlässigbaren Wert gedämpft. Diese Forderungen können nur durch eine Reduzierung der geometrischen Abmessungen des Freiträgers erfüllt werden, die in den beiden folgenden Gleichungen wiedergegeben werden:
  • Die Eigenfreguenz fo des Freiträgers ist gegeben durch
  • hierbei ist E der Elastizitätsmodul nach Young, ist die Dichte, K ist ein Korrekturfaktor nahe 1, l ist die Länge und t die Dicke des Freiträgers.
  • Die Federkonstante des Freiträgers, von der seine Empfindlichkeit abhängt, ist gegeben durch
  • hierbei ist F die Kraft, welche die Auslenkung y des Freiträgers bewirkt, E ist der Elastizitätsmodul nach Young, w ist die Breite, l ist die Länge und t ist die Dicke des Freiträgers. Entsprechend dem Term der Federkonstanten ist die Empfindlichkeit des Freiträgers abhängig von seinen Abmessungen und von dem Material, aus dem er besteht, wobei die größte Empfindlichkeit bei langen, dünnen und schmalen Freiträgern erreicht wird. Die Breite des Freiträgers muß so bemessen sein, daß seitliche Schwingungen unterdrückt werden. Außerdem sollte der Träger so breit sein, daß auf ihm zusätzliche Strukturen, wie zum Beispiel Spitzen, hergestellt werden können. Eine Mindestbreite w von etwa 10 um wäre daher angemessen. In der Praxis muß C etwa &ge; 1 N/m betragen, damit beim Erfassen der Anziehungskräfte Instabilitäten vermieden werden, um übermäßige thermische Schwingungen des Freiträgers zu verhindern, und um ein meßbares Ansprechen zu erzielen.
  • Maße eines Freiträgers, die mit C = 1 N/m und fo = 10 kHz kompatibel sind, sind zum Beispiel: 1 = 800 um, w = 75 um und t = 5,5 um.
  • Im normalen Auslenkungsmodus des Freiträgers können Kräfte in der Größenordnung von 10&supmin;¹² N erfaßt werden. Die Empfindlichkeit des Sensorkopfes kann noch weiter erhöht werden, indem das zu profilierende Objekt mit der Resonanzfreguenz fo des Freiträgers in Schwingung versetzt wird, wie von G. Binnig et al in Phys. Rev. Lett. 56 (1986), Seite 930 - 933, beschrieben wurde.
  • In dem entsprechend dem obengenannten Artikel von Binnig et al und gemäß EP-A-0 223 918 realisierten AFM wurden die Anforderungen für den Freiträger und die Spitze mit Hilfe einer Goldfolie von etwa 25 um Dicke, 800 um Länge und 250 um Breite erfüllt, an der mit Hilfe einer geringen Menge Klebstoff ein Diamantfragment befestigt wurde. In einem anderen Vorschlag wurden Mikrofertigungstechniken zur Herstellung von Dünnfilm-SiO&sub2;-Mikrofreiträgern (1,5 um Dicke) mit sehr geringer Masse verwendet, auf denen durch Aufdampfung von Material durch eine sehr kleine Öffnung Miniaturkegel gezüchtet werden konnten (Th.R. Albrecht, C.F. Quate, (1988) Atomic Resolution with the Atomic Force Microscope on Conductors and Nonconductors, J. Vac. Sci. Technol., 271 - 274).
  • Ausgehend von der vorangegangenen Beschreibung des bisherigen Stands der Technik konnte man in einem ersten Verfahrensschritt Freiträger herstellen, an denen dann in einem zweiten Verfahrensschritt Spitzen angebracht wurden. Für den Fachmann ist offensichtlich, daß die Herstellung eines Freiträgers mit einer Spitze dieses Typs eine äußerst schwierige Aufgabe darstellt, die zudem wenig Ausbeute ergibt.
  • Vor kurzem wurden mehrere Verfahren zur Herstellung mikromechanischer Sensorköpfe für die AFM/STM-Profilometrie entwickelt, siehe zum Beispiel Europäische Patentanmeldungen EP-A-413 042, EP-A-413 041 und EP-A-413 040.
  • In der Europäischen Patentanmeldung EP-A-413 042 wird ein Verfahren zur Herstellung eines Freiträgers mit integrierter Spitze beschrieben. In diesem Verfahren wird eine Maske erzeugt, die alle relevanten Informationen für das gewünschte Muster des Freiträgers und der Spitze enthält. In einem daran anschließenden Ätzverfahren wird die Maske Schritt für Schritt auf ein Siliziumsubstrat übertragen. Die Form der Spitze wird durch anisotropisches Naßätzen und Unterätzen der Spitzenmaske bestimmt. Die Spitze endet als eine gerade Linie in Form einer mehrseitigen Pyramide. Der Kegelwinkel der in diesem Verfahren hergestellten Spitze ist &ge; 35 º.
  • Für die vorliegende Erfindung ist jedoch eine Methode wünschenswert, mit der konisch geformte Spitzen mit Kegelwinkeln < 30 º hergestellt werden können, vorzugsweise etwa 10 º, mit höchster Genauigkeit und hoher Ausbeute. Insbesondere in der Magnetkraftmikroskopie hängt die Domänenauflösung von der Form der Spitze und dem Kegelwinkel ab.
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Methode zur Herstellung eines Mikrofreiträgers mit integrierten Spitzen zu lehren, bei der eine geeignete Kombination von Niederschlags-, Lithographie-, Ätz- und Oxidationsschritten angewendet wird.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird mit einer Methode gemäß Anspruch 1, 7 bis 11 und 12 bis 18 erreicht.
  • Die Erfindung umfaßt außerdem Strukturen, die entsprechend der Methode der Erfindung hergestellt werden.
  • Bevor mit der Beschreibung der Erfindung im einzelnen begonnen werden soll, wird auf die folgenden Veröffentlichungen zum Thema Mikromechanik verwiesen:
  • K.E. Petersen, Dynamic Micromechanics on Silicon:
  • Technigues and Devices, Band ED-25, Nr. 10, Oktober 1978, Seite 1241 - 1250;
  • K.E. Petersen, Silicon as a Mechanical Material, Proc. of the IEEE, Band 70, Nr. 5, Mai 1982, Seite 420 - 457; und
  • R.D. Jolly, R.S. Müller, Miniature Cantilever Beams Fabricated by Anisotropic Etching of Silicon, J. Electrochem Soc.: Solid-State Science and Technology, Dezember 1980, Seite 2750 - 2754.
  • Mit der Methode der vorliegenden Erfindung können Mikro-Freiträger geringer Masse mit einer integrierten Spitze hergestellt werden, die mit der Oberfläche einer zu profilierenden Probe in Wechselwirkung tritt. Die Kraft- und Resonanzfreguenzanforderungen für den Freiträger und die integrierte Spitze werden durch Anwendung von Mikrofertigungstechniken erfüllt. Da Freiträger und Spitze aus einem Stück Material hergestellt werden, treten zwischen diesen beiden Komponenten keine Haftprobleme auf.
  • Das Verfahren der vorliegenden Erfindung basiert auf dem Verfahren von EP-A-413 042, und zwar insofern, als die Schritte zur Herstellung der Maske, die alle relevanten Informationen für die Substratätzung des Freiträgers und der Spitze enthält (siehe Figuren 4 a bis 4 c), praktisch identisch sind, die daran anschließenden Schritte zum Ätzen des Freiträgers und der Grundform der Spitze in das Substrat jedoch anisotropische Ionenätzverfahren darstellen.
  • An das Formgebungsverfahren der Spitze schließt sich ein thermisches Oxidationsverfahren und ein Entschichtungsverfahren an, in dem das thermisch gezüchtete Siliziumdioxid vorsichtig abgenommen wird.
  • Insbesondere der Oxidationsschritt erlaubt über die Oxidationszeit eine äußerst genaue Definition und Veränderung der Spitzenhöhe und des Kegelwinkels.
  • In dem Verfahren des zweiten Beispiels der vorliegenden Erfindung wird eine Spitze auf einem Sockel hergestellt. Wie bereits in der Einleitung zu dieser Beschreibung erwähnt, hängt die Empfindlichkeit des Freiträgers und der Spitze von ihren Abmessungen ab. Wenn zur Untersuchung von Strukturen im Submikronbereich ein sehr kleiner Durchmesser der Spitze gewünscht wird, ist die Länge der Spitze auf einen bestimmten Wert begrenzt, um zu vermeiden, daß die Spitze an den zu untersuchenden Strukturen hängenbleibt. Daher sollte in der Praxis das Verhältnis des Durchmessers der Spitze zu ihrer Länge etwa 1 : 10 oder weniger betragen, damit ein Hängenbleiben vermieden wird. Um einen Abstand von etwa 6 bis 10 um vom Ende der Spitze bis zum Freiträger zu erreichen, muß die Spitze deswegen auf einem Sockel angeordnet werden.
  • Das Verfahren des Beispiels 2 ist ein völlig selbstausgerichtetes Verfahren zur Herstellung einer Spitze mit einem Durchmesser von 0,2 um und einer Länge von 2 um, die auf einem Sockel mit einem Durchmesser von 1 um absolut konzentrisch angeordnet ist. Gegenüber dem Verfahren nach dem bisherigen Stand der Technik (EP-A-413 042, drittes Beispiel, Anspruch 19), bei dem eine auf einem Sockel mit einem Durchmesser von etwa 100 bis 200 um angeordnete Spitze mit einem Grundkreisdurchmesser von 30 um erzeugt wird, wobei die zugehörigen Ätzmasken aufeinander justiert werden, weist dieses Verfahren wesentliche Vorteile auf.
  • Details verschiedener Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sollen anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben werden; es zeigt:
  • Fig. 1 eine Folge von Verfahrensschritten zur Herstellung eines aus einem Silizium-Wafer-Substrat herausgearbeiteten Freiträgers mit integrierter Spitze, unter Verwendung einer Maske mit zwei Informationsebenen sowie photolithographischen Schritten, Ätz- und Oxidationsschritten.
  • Fig. 2 eine Folge von Verfahrensschritten zur Herstellung eines aus einem Silizium-Wafer-Substrat herausgearbeiteten Freiträgers mit integrierter Spitze auf einem Sockel, unter Verwendung einer Maske mit zwei Informationsebenen, sowie photolithographischen Schritten, Ätz- und Oxidationsschritten.
  • Ein erstes Beispiel des Verfahrens der Erfindung wird gemäß Fig. 1 (A bis I) beschrieben.
  • Dieses Beispiel bezieht sich auf die Entwicklung einer Struktur, wie zum Beispiel eine Spitze, auf einem bereits dreidimensional strukturierten Substrat, wie zum Beispiel einem Freiträger. In diesem Verfahren ist es zum Beispiel schwierig, die flexiblen und sehr zerbrechlichen Freiträger für die nachfolgende Belichtung mit einem Photoresist zu beschichten. Diese und andere Probleme werden gelöst, indem man eine bei einem Substrat angewendete Maske so strukturiert, daß sie alle relevanten Informationen für das anschließende Substrat- Ätzverfahren enthält. Das heißt, daß die Strukturen aller lithographischen Schritte nacheinander in die Maske geätzt werden, bevor das Substrat geätzt wird. Anschließend wird diese Information Schritt für Schritt von der Maske in das Substrat übertragen. Zwischen zwei aufeinanderfolgenden Substrat-Ätzschritten liegt ein Masken-Ätzschritt, für den jedoch kein zusätzlicher lithographischer Schritt erforderlich ist. Diese Mehrschrittmaske kann in der herkömmlichen Planartechnologie hergestellt werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß keine Schwierigkeiten bei der Photoresist-Abdeckung und der Belichtung auftreten, da die Maske eine Dicke von nur wenigen um aufweist. Das Verfahren profitiert vom hohen Aüflösungsvermögen der Maske im Verhältnis zum Substrat im Substrat-Ätzverfahren, das mehrere Trocken- Ätzschritte umfaßt.
  • In Fig. 1 A wird ein (100) Silizium-Wafer (1) beidseitig mit Siliziumdioxid beschichtet. Die Oxidschichten (3) und (2) auf der Ober- und Unterseite werden thermisch bis zu einer Schichtdicke von etwa 3 um gezüchtet. Die Oxidschichten können auch durch Aufsputtern oder (PE) CVD aufgebracht werden. In einem ersten photolithographischen Schritt wird das Muster des Freiträgers (4) und der rechteckigen Öffnungen (5) festgelegt, die anschließend in den oberen Teil der Siliziumdioxidschichten (3) und (2) übertragen werden. Zu diesem Zweck wird positives Photoresist AZ 1350 der Shipley Company beidseitig auf den oxidbeschichteten Wafer (1) (nicht dargestellt) aufgetragen. Die Photoresist-Schichten auf beiden Seiten werden gleichzeitig belichtet und entwickelt, wobei die jeweiligen Masken auf der Unterseite des Wafers auf die Masken auf der Oberseite justiert sind. Das auf beiden Seiten vorhandene Oxid wird in gepufferter Fluorwasserstoffsäure im Verdünnungsverhältnis 5 : 1 oder durch reaktives Ionenätzen unter folgenden Verfahrensbedingungen geätzt:
  • Ätzgas: CF&sub4;
  • Druckbereich: 1 bis 10 ubar
  • wobei die Zeitdauer von der gewünschten Ätztiefe auf der Oberseite abhängt. Anschließend wird die Oberseite durch eine eingebrannte Photoresistschicht geschützt und die Oxidreste in den belichteten Bereichen (5) auf der Unterseite des Wafers werden durch Ätzen in gepufferter Fluorwasserstoffsäure im Verdünnungsverhältnis 5 : 1 entfernt. Anschließend wird das noch vorhandene Photoresist entfernt. Die hierbei entstehende Struktur zeigt Fig. 1 A.
  • In einem zweiten photolithographischen Schritt wird das Muster der Spitze (6) in einer neu aufgetragenen Photoresistschicht über dem Siliziumdioxid-Freiträgermuster (4) (nicht dargestellt) festgelegt. Das Photoresist-Spitzenmuster wird in das Siliziumdioxid durch Ätzen in gepufferter Fluorwasserstoffsäure im Verdünnungsverhältnis 5 : 1 oder durch reaktives Ionenätzen, wie oben beschrieben, übertragen. In diesem Ätzschritt wird das Muster des Freiträgers (4) auf eine tiefere Ebene der Schicht (3) übertragen und die Dicke der verbleibenden Siliziumdioxidschicht (3) wird entsprechend reduziert. Die Unterseite des Wafers wird in diesem Schritt durch eine eingebrannte Photoresistschicht geschützt. Die dabei entstehende Siliziumdioxid-Maskenstruktur (4, 6), die dann Schritt für Schritt in das Siliziumsubstrat (1) übertragen wird, ist in Fig. 1 B dargestellt.
  • Vor der Übertragung dieser Maskenstruktur wird das Silizium- Wafer (1) durch Ätzen von der Unterseite auf eine Dicke ausgedünnt, die etwa der Dicke des Freiträgers plus etwa der doppelten Höhe der Spitze plus einer Rest-Waferdicke entspricht, die während der thermischen Oxidation verbraucht wird. Dieser Ätzschritt, in dem eine wäßrige KOH-Lösung mit etwa 37,5 Gewichts-% bei etwa 80 ºC verwendet wird, ist anisotropisch. Die daraus entstehende Struktur ist in Fig. 1 C dargestellt.
  • Wie die Figuren 1 C, D zeigen, wird anschließend die Siliziumdioxidschicht (3) mit den Strukturen (4) und (6) in gepufferter Fluorwasserstoffsäure im Verdünnungsverhältnis 5 : 1 oder durch reaktives Ionenätzen, wie oben beschrieben, geätzt, und zwar bis zu einer Tiefe, in der die Siliziumdioxid- Bereiche (7), die an die Freiträgermaske (4) angrenzen, entfernt werden.
  • Es schließt sich ein anisotropischer reaktiver Ionenätzschritt an, in dem das Muster des Freiträgers (4) in das Silizium-Wafer (1) übertragen wird. Das zu diesem Zweck durchgeführte reaktive Ionenätzen wird unter den folgenden Bedingungen ausgeführt:
  • Ätzgas: 10 Strömungs-% Chlor, Rest Ar oder He
  • Druckbereich: 2 bis 20 ubar, vorzugsweise 10 ubar.
  • Andere Methoden zum Ätzen von Silizium verwenden Gasmischungen mit einem Gehalt von SF&sub6;, Cl&sub2; und Helium; oder CCl&sub2;F&sub2; und O&sub2;; oder SiF&sub4;, Cl&sub2; und Helium oder Argon. In einem System mit 10 Strömungs-% Cl&sub2; in Argon werden Ätzratenverhältnisse von Silizium zu Siliziumdioxid von bis zu 20 : 1 erzielt. In dem anisotropischen Ätzschritt werden die Bereiche des Silizium- Wafers (1) entfernt, die ursprünglich unter den Siliziumdioxid-Bereichen (7) liegen, in einer Tiefe, die der gewünschten Dicke des Silizium-Freiträgers entspricht (Fig. 1 E).
  • Jetzt werden die Siliziumdioxid-Freiträgermaske (4) und die Siliziumdioxid-Masken (2) auf der Unterseite des Wafers durch Ätzen in gepufferter Fluorwasserstoffsäure im Verdünnungsverhältnis 5 : 1 oder durch reaktives Ionenätzen, wie oben beschrieben, entfernt. Die dabei entstehende Struktur mit Freiträger (41) und Spitzenmaske (6) auf der Oberseite ist in Fig. 1 F dargestellt.
  • Ein besonders hoch-anisotropischer Ätzschritt zum Ätzen und Formen der Spitze (61, Fig. 1 G) schließt sich an. Zuerst wird die Grundform der Spitze (61) erzeugt. Gleichzeitig werden die Seitenwände des entstehenden "Stempels" (61) geätzt, so daß man eine konkave Form erhält. Die konkaven Seitenwände der Spitze sind das Ergebnis der Ionenstreuung in der Plasmahülle entsprechend einem angemessenen Verhältnis des Drucks zur automatischen Gittervorspannung. Dies erreicht man durch ein reaktives Ionenätzverfahren mit Ar/Cl&sub2; oder He/Cl&sub2;, bei dem ein relativ hoher Druck von etwa 100 ubar und eine relativ niedrige Gittervorspannung von etwa 300 V GS verwendet wird, abhängig davon, welcher Reaktor zum Einsatz kommt. Die Ätzzeit wird von dem gewünschten Verhältnis der Dicke der Spitze zu ihrer Höhe bestimmt. Gleichzeitig mit dem Ätzen und Formen der Spitze (61) wird der Freiträger von dem Wafer-Körper (1) gelöst.
  • Die Siliziumdioxid-Ätzmaske (6) wird durch Ätzen mit gepufferter Fluorwasserstoffsäure im Verdünnungsverhältnis 5 : 1 oder konzentriert abgetragen.
  • Der Krümmungsradius der entstehenden konkaven Seitenwände definiert den kleinsten erzielbaren Kegelwinkel der künftigen konisch geformten Spitze.
  • An den reaktiven Ionenätzschritt schließt sich ein äußerst genau gesteuerter Verfahrensschritt an, und zwar die thermische Oxidation. Diese Oxidation wird bei einer Temperatur von mindestens etwa 1000 ºC in Wasserdampf durchgeführt. Fig. 1 H zeigt eine Schnittansicht einer Phase, in der sich die Oxidationsfronten (8) am dünnsten Punkt des Stempels berühren. Mit dem während dieser thermischen Oxidation zunehmenden Volumen erhöhen sich Dicke und Höhe des Stempels (61), wodurch die Festigkeit des Stempels gegenüber mechanischen Beschädigungen erhöht wird.
  • An das thermische Oxidationsverfahren schließt sich ein Entschichtungsverfahren mit gepufferter Fluorwasserstoffsäure an, in dem das thermisch gezüchtete Siliziumdioxid (8) entfernt wird. Die dabei entstehende Struktur, die den Freiträger (41) und die Spitze (61) umfaßt, ist in Figur 1 I dargestellt.
  • SEM-Mikrobilder zeigten, daß sich die Höhe und der Kegelwinkel der Spitze durch Justieren der sehr gut regelbaren Oxidationszeit sehr gut modifizieren ließen. Die Radien der Spitzen, die entsprechend dem Verfahren dieser Erfindung hergestellt wurden, betrugen 10 nm oder weniger. Darüber hinaus waren die Spitzen von einer ausgezeichneten Rotationssymmetrie gekennzeichnet. Verglichen mit den Verfahren zur Herstellung mikromechanischer Sensoren nach dem bisherigen Stand der Technik ist das Verfahren der vorliegenden Erfindung, bezogen auf die Form der Spitze, von einer hohen Flexibilität und einer außerordentlich hohen Ausbeute gekennzeichnet.
  • Das zweite Beispiel des Verfahrens der Erfindung wird gemäß Fig. 2 (A bis E) beschrieben.
  • Die Verfahrensschritte zur Herstellung des mehrstufigen Freiträgers und der Maske für die Spitze, der Maske auf der Unterseite des Wafers sowie auch der Schritt zur Ausdünnung des Silizium-Wafers durch Ätzen von der Unterseite sind identisch mit denen des Beispiels 1 gemäß Figs. 1 A bis 1 D.
  • Die an die Maske des Freiträgers angrenzenden Siliziumdioxid- Bereiche wurden, wie oben beschrieben, durch Ätzen entfernt (nicht dargestellt). Im nächsten Schritt wurde das Muster des Freiträgers durch reaktives Ionenätzen in einer Ar/Cl&sub2;- oder He/Cl&sub2;-Umgebung mit einem Druck von etwa 10 ubar in das Silizium-Wafer übertragen. Anschließend wurden die Siliziumdioxid-Freiträgermaske und die Siliziumdioxid-Maske auf der Unterseite des Wafers durch Ätzen entfernt, wie im Beispiel 1 beschrieben (nicht dargestellt).
  • Hieran schließt sich ein anisotropischer Ätzschritt zum Formen der Spitze an. Um einen Spitzenschaft mit geraden Seitenwänden zu erhalten, wird der Ätzvorgang in einer Ar/Cl&sub2;- oder He/Cl&sub2;-Umgebung bei einem Druck von etwa 10 ubar ausgeführt, wobei die Zeitdauer von der gewünschten Ätztiefe, das heißt, von der Länge des Spitzenschafts, abhängt. Um einen Spitzenschaft mit konkaven Seitenwänden zu erreichen, wird der Ätzvorgang in einer Ar/Cl&sub2;- oder He/Cl&sub2;-Umgebung bei einem relativ hohen Druck und einer vergleichsweise niedrigen automatischen Gittervorspannung durchgeführt, siehe Beispiel 1. Die hierbei entstehende Struktur, die das Siliziumsubstrat (21), den Freiträger (241), die Spitze (261) und die Spitzenmaske (26) umfaßt, ist in Fig. 2 A dargestellt.
  • An den reaktiven Ionenätzschritt schließt sich ein genau gesteuerter Verfahrensschritt an, und zwar die thermische Oxidation. Wie in Beispiel 1 beschrieben, wird die Oxidation bei einer Temperatur von mindestens etwa 1.000 ºC in Wasserdampf durchgeführt. Die dabei entstehende Struktur, bei der alle horizontalen und vertikalen Flächen der Struktur (261, 241) und des Substrats (21) von Siliziumdioxid (28) abgedeckt werden, ist in Fig. 2 B dargestellt.
  • Im nächsten Schritt wird das Siliziumdioxid (28) von allen horizontalen Flächen der genannten Struktur durch reaktives Ionenätzen in CF&sub4; bei einem Druck von etwa 10 ubar entfernt. Dieser Ätzschritt wird unterbrochen, wenn das gesamte Siliziumdioxid von den horizontalen Flächen entfernt ist. Die dabei entstehende Struktur ist in Fig. 2 C dargestellt.
  • Im nächsten Schritt wird der Sockel (29) bis zur gewünschten Tiefe in den Freiträger (241) eingeätzt, wobei die Schichten aus Siliziumdioxid (28) auf den vertikalen Flächen der Struktur (261, 241) und der Maske der Spitze (26) als Masken wirken. Das reaktive Ionenätzen wird in Ar/Cl&sub2;- oder He/Cl&sub2;-Umgebung bei einem Druck von etwa 10 ubar ausgeführt. Gleichzeitig mit dem Ätzen des Sockels wird der Freiträger vom Körper des Wafers (21) gelöst. Die dabei entstehende Struktur ist in Fig. 2 D dargestellt. An diesen Verfahrensschritt schließt sich ein Entschichtungsverfahren an, in dem gepufferte Fluorwasserstoffsäure im Verdünnungsverhältnis 5 : 1 oder in konzentrierter Form verwendet wird, und in dem die restlichen Siliziumdioxid-Masken entfernt werden. Die endgültige Struktur, zu der der Freiträger (241), der Sockel (29) und die Spitze (261) mit einem rechteckigen Querschnitt gehören, ist in Fig. 2 E dargestellt.
  • Die Spitze (261) kann in einem maskenlosen Argon-Ionenätzschritt angespitzt werden, unter Ausnutzung des Effekts, daß für die Kombination Argongas-Siliziumsubstrat die Ätzrate winkelabhängig ist. Die Verfahrensparameter für das Anspitzen der Spitze sind wie folgt: - Strömungsmenge: 20 sccm Ar, - Druck: 3 ubar, - RF: 1000 V und GS: 630 V.
  • Wie bereits weiter oben erwähnt, kann die Formung der Spitze alternativ auch auf einer früheren Verfahrensstufe erfolgen, zum Beispiel nach der Übertragung des Freiträgermusters in das Silizium-Wafer-Substrat, der Entfernung der Siliziumdioxid-Freiträgermaske und gleichzeitig mit dem Ätzen der Spitze (siehe Fig. 2 A). Um einen Spitzenschaft mit konkaven Seitenwänden zu erhalten, muß der Ätzvorgang in einer Ar/Cl&sub2;-Umgebung bei einem hohen Druck von etwa 100 ubar ausgeführt werden. In diesem Fall muß die ursprüngliche Höhe des Spitzenschafts (261) etwa zweimal so hoch sein wie die endgültige Spitze, da der konisch geformte Spitzenschaft durch thermische Oxidation und Oxidentschichtung praktisch in zwei gleiche Teile aufgeteilt wird.

Claims (22)

1. Methode zur Herstellung mikromechanischer Sensoren für die AFM/STM/MFM-Profilometrie, die aus einem Freiträger und einer Spitze oder einer Spitze auf einem Sockel an einem Ende des genannten Freiträgers bestehen, folgende Schritte aufweisend:
1. Erzeugen einer ersten Maske (4) des gewünschten Freiträger-Musters (41, 241) auf der Oberseite und einer zweiten Maske (2) auf der Unterseite des Wafers (1);
2. Erzeugen einer dritten Maske (6, 26) des gewünschten Spitzenmusters (61) oder des gewünschten Musters der Spitze auf dem Sockel (261, 29) im Bereich der genannten ersten Maske (4) auf der Oberseite des Wafers (1);
3. Ausdünnen des Wafer-Substrats (1) bis zu einer gewünschten Dicke durch Ätzen durch die genannte zweite Maske auf der Unterseite des genannten Wafers (1);
4. Übertragen des von der genannten ersten Maske (4) definierten Freiträger-Musters in das genannte Wafer (1) durch Ätzen der genannten ersten Maske (4) bis zu einer Tiefe, in der die Bereiche (7) der an die Freiträger-Maske (4) angrenzenden Maske entfernt werden, und Entfernen der genannten Freiträger-Maske (4) und der genannten zweiten Maske (2) durch Ätzen;
5. Übertragen des durch die genannte dritte Maske (6, 26) im Bereich des genannten Freiträger-Musters (41, 241) definierten Musters der Spitze oder der Spitze auf einem Sockel in das genannte Wafer (1), durch hoch-anisotropisches Ätzen und Entfernen der genannten dritten Maske (6),
dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Methode desweiteren folgende Schritte aufweist:
6. thermisches Oxidieren der freiliegenden Flächen der entstehenden Freiträger-/Spitzenstruktur (41, 61; 241, 261) auf eine gewünschte Dicke; und
7. Entfernen des thermisch gezüchteten Oxids (8) durch Ätzen, hierdurch Freilegen der gewünschten Freiträger-/Spitzenstruktur; oder
8. bei einer Spitze auf einem Sockel, Entfernen des genannten Oxids (28) von den horizontalen Flächen des genannten Freiträger-Musters (241) durch Ätzen, Ätzen des genannten Sockels (29) in das genannte Substrat und schließlich Entfernen des genannten Oxids (28) von den vertikalen Flächen der Freiträger-/Spitzenstruktur (241, 261) und der Spitzen-Maske (26), hierdurch Freilegen der genannten Spitze (261) auf dem Sockel (29) beziehungsweise auf dem genannten Freiträger (241).
2. Methode nach Anspruch 1, bei der das Wafer-Substrat (1) aus monokristallinem Silizium besteht, und die Schichten (3, 2) auf der Oberseite und auf der Unterseite des Wafers aus thermisch gezüchtetem Siliziumdioxid oder aufgesputtertem Oxid oder (PE) CVD-Oxid bestehen.
3. Methode nach Anspruch 1 und 2, bei der das gewünschte Freiträger-Muster (4) in der genannten Siliziumdioxid- Schicht (3) auf der Oberseite des genannten Wafers unter Anwendung eines ersten photolithographischen Schrittes und eines Naß- oder Trockenätzschrittes festgelegt wird.
4. Methode nach Anspruch 3, bei der gleichzeitig mit dem genannten ersten photolithographischen Schritt und dem genannten Ätzschritt auf der Unterseite des genannten Wafers (1) rechteckige Öffnungen (5) hergestellt werden.
5. Methode nach Anspruch 1 bis 3, bei der das gewünschte Muster der Spitze (6) im Bereich des Freiträger-Musters (4) in der genannten Siliziumdioxid-Schicht (3) unter Anwendung eines zweiten photolithographischen Schrittes und eines Naß- oder Trockenätzschrittes festgelegt wird.
6. Methode nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, bei der vor Übertragung der Maskenstruktur in das Silizium-Wafer-Substrat (1) das genannte Substrat durch anisotropisches Ätzen von der Unterseite des Wafers mit wäßriger KOH-Lösung (37,5 Gewichts-%) bei 80 ºC ausgedünnt wird.
7. Methode nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, bei der das Freiträger-Muster (41) anisotropisch in das Silizium-Wafer-Substrat (1) geätzt wird, unter Anwendung der Siliziumdioxid-Maske (4) und Ar/Cl&sub2; oder He/Cl&sub2; als Ätzgas, bei einem Druck von etwa 2 bis 20 ubar; und bei der die Siliziumdioxid-Maske (4) durch Ätzen mit CF&sub4; als Atzgas bei einem Druck von etwa 1 bis 10 ubar entfernt wird.
8. Methode nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, bei der die Spitze (61) anisotropisch im Bereich des Freiträgers (41) in das Substrat geätzt und gleichzeitig geformt wird, unter Anwendung einer Siliziumdioxid- Maske (6) und Ar/Cl&sub2; oder He/Cl&sub2; als Ätzgas, und bei der die Siliziumdioxidmaske der Spitze (6) durch Ätzen mit CF&sub4; als Ätzgas bei einem Druck von etwa 1 bis 10 ubar entfernt wird.
9. Methode nach Anspruch 8, bei der der anisotropische Ätzschritt bei einem Druck von etwa 100 ubar und einer automatischen Gittervorspannung des Reaktors von etwa 300 V GS ausgeführt wird, wodurch eine konkave Form der Spitze erreicht wird.
10. Methode nach Anspruch 8 und 9, bei der gleichzeitig mit dem Ätzen und Formen der Spitze (61) der Freiträger von dem Silizium-Körper (1) gelöst wird.
11. Methode nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, bei der die Siliziumstruktur (41, 61), die sich aus den anisotropischen Trockenätzschritten ergibt, thermisch bei einer Temperatur von mindestens etwa 1000 ºC in Wasserdampf oxidiert wird, und bei der das thermisch gezüchtete Siliziumdioxid durch Naßätzen in gepufferter Fluorwasserstoffsäure entfernt wird, wodurch die Spitze (61) auf dem Freiträger (41) freigelegt wird.
12. Methode nach Anspruch 1 und 7, bei der nach der Übertragung des Freiträger-Musters in das Silizium-Wafer- Substrat (21) durch reaktives Ionenätzen die Spitze (261, Fig. 2 A) im Bereich des Freiträgers (241) anisotropisch in das Substrat geätzt wird, unter Verwendung einer Siliziumdioxid-Maske (26) und Ar/Cl&sub2; oder He/Cl&sub2; als Ätzgas.
13. Methode nach Anspruch 12, bei der zur Erzielung eines Spitzenschafts mit geraden Seitenwänden der Ätzvorgang in Ar/Cl&sub2; bei einem Druck von etwa 10 ubar ausgeführt wird.
14. Methode nach Anspruch 12, bei der zur Erzielung eines Spitzenschafts mit konkaven Seitenwänden der Ätzvorgang in Ar/Cl&sub2; bei einem Druck von etwa 100 ubar ausgeführt wird.
15. Methode nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, bei der die Silizium-Struktur (261, 241, 21) thermisch bei einer Temperatur von mindestens etwa 1000 ºC in Wasserdampf oxidiert wird, und bei der das thermisch gezüchtete Siliziumdioxid (28) von den horizontalen Flächen des Freiträgers (241) und des Silizium-Substrats (21) durch anisotropisches Ätzen mit CF&sub4; als Ätzgas bei einem Druck von etwa 1 bis 10 ubar entfernt wird.
16. Methode nach Anspruch 15, bei der der Sockel (29) bis zu der gewünschten Tiefe in das Freiträger-Substrat (241) geätzt wird, wobei die Siliziumdioxid-Schichten (28) auf den vertikalen Flächen der Freiträger- /Spitzenstruktur (241/261) und der Spitzen-Maske (26) als Masken, und Ar/Cl&sub2; oder He/Cl&sub2; als Ätzgas bei einem Druck von etwa 10 ubar verwendet werden.
17. Methode nach Anspruch 16, bei der gleichzeitig mit dem Ätzen des Sockels (29) der Freiträger von dem Wafer- Körper (21) gelöst wird.
18. Methode nach Anspruch 16 und 17, bei der die verbleibenden Siliziumdioxid-Masken durch Ätzen in gepufferter Fluorwasserstoffsäure entfernt werden.
19. Methode nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 18, bei der die Spitze (261) in einem Argon-Ionenätzverfahren ohne Maske angespitzt wird.
20. Mikromechanischer Sensor für die AFM/STM/MFM-Profilometrie, der einen Freiträger mit integrierter Spitze aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Spitze eine hohe Rotationssymmetrie und einen Kegelwinkel < 10 º aufweist, wodurch der genannte Freiträger mit integrierter Spitze hergestellt wird, durch Herstellen eines mehrstufigen Maskenmusters für den Freiträger und die Spitze, Schritt-für-Schritt-Übertragen des genannten Muster in das Silizium-Wafer-Substrat durch anisotropisches Ätzen, thermisches Oxidieren der entstehenden Struktur bis zu einer Dicke, bei der die Oxidationsfronten der Spitze einander berühren, und Entfernen des Oxids durch Naßätzen, wodurch ein Freiträger mit integrierter Spitze freigelegt wird.
21. Mikromechanischer Sensor nach Anspruch 20, desweiteren dadurch gekennzeichnet, daß nach Übertragen der Maske von Freiträger und Spitze und nach der thermischen Oxidation die Oxidschichten, die die horizontalen Flächen des Freiträgers und des Substrats abdecken, entfernt werden, ein Sockel geätzt wird, unter Verwendung der die vertikalen Flächen des Freiträgers und der Spitze sowie die Spitzen-Maske abdeckenden Oxidschichten als Masken, und das genannte Oxid durch Naßätzen entfernt wird, wodurch eine Freiträger-Struktur mit Spitze auf einem Sockel freigelegt wird.
22. Mikromechanischer Sensor nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Durchmessers der Spitze zu ihrer Länge etwa 1 = 10 beträgt, und, sollte dieses Verhältnis überschritten werden, ein Sockel von entsprechender Höhe erforderlich ist.
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