DE19509903A1

DE19509903A1 - Prodn. of tip used in optical electron beam scanning microscope

Info

Publication number: DE19509903A1
Application number: DE19509903A
Authority: DE
Inventors: Alexander Dipl Phys Ruf; Karsten Dipl Ing Mayr; Manfred Dipl Phys Lacher
Original assignee: Institut fuer Mikrotechnik Mainz GmbH
Current assignee: Institut fuer Mikrotechnik Mainz GmbH
Priority date: 1995-03-18
Filing date: 1995-03-18
Publication date: 1996-09-19

Abstract

Prodn. of a tip comprises: (a) applying a masking layer (3) on a tip material layer (2); (b) producing a masking structure (4a) from the masking layer; (c) forming the tip (1) under the masking structure (4a) by isotropic plasma etching the tip material layer (2); and (d) removing the masking structure (4a) by rinsing, removing varnish or etching. Also claimed are methods for the mfr. of a microscope bar with an integrated tip.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Spitze, die an einem Trägerelement insbesondere einem beweglichen Mikroskopbalken befestigt ist, mit einem Spitzenradius im Nanometer-Bereich. Die Spitze wird durch maskiertes isotropes Plasmaätzen und das Trägerelement durch Plasma- oder Naßätzen hergestellt.The invention relates to a method for producing a tip, which a carrier element, in particular a movable microscope beam is attached, with a tip radius in the nanometer range. The summit is masked by isotropic plasma etching and the carrier element made by plasma or wet etching.

Derartige Abtastvorrichtungen werden in verschiedenen Raster mikroskopmethoden für die Abtastung und Untersuchung von Oberflächen mit Auflösungen im Nanometer-Bereich eingesetzt.Such scanning devices are in different grids microscope methods for scanning and examining surfaces with resolutions in the nanometer range.

Zu diesen Methoden zählen die Rastertunnel- und Rasterkraftmikroskopie (STM/AFM), als die empfindlichsten Arten der Oberflächenprofilometrie. Sie gestatten es, leitende und nichtleitende Oberflächen mit atomarer Auflösung abzubilden. Die Rastertunnelmikroskopie ermöglicht es auch, die elektronischen Eigenschaften einer Oberfläche abzubilden. Neben der topographischen Abbildung von Oberflächen lassen sich mit der Raster kraftmikroskopie auch magnetische und elektrische Eigenschaften, sowie laterale Kräfte von Oberflächen abbilden und vermessen (Dror Sarid: "Scanning Force Microscopy", Oxford University Press 1991).These methods include scanning tunneling and atomic force microscopy (STM / AFM), as the most sensitive types of surface profilometry. They allow conductive and non-conductive surfaces with atomic Map resolution. Scanning tunneling microscopy also enables map the electronic properties of a surface. In addition to the Topographic mapping of surfaces can be done with the grid force microscopy also includes magnetic and electrical properties, as well Map and measure lateral forces on surfaces (Dror Sarid: "Scanning Force Microscopy", Oxford University Press 1991).

Bei der Rastertunnelmikroskopie wird eine leitende Spitze so nah an die leitende Oberfläche der Probe gebracht, daß Elektronen trotz Potential barriere "überspringen" können (Tunneleffekt, Tunnelkontakt). Wird diese Spitze über die Oberfläche gerastert, treten Änderungen des Tunnel stroms auf, die direkt aufgezeichnet ("constant height mode") oder aber durch einen Regelkreis auf konstanten Tunnelstrom zurückgeregelt ("constant current mode") und das Regelsignal aufgezeichnet werden.In scanning tunnel microscopy, a conductive tip is so close to that conductive surface of the sample brought that electrons despite potential "jump" barrier (tunnel effect, tunnel contact). Will this Pointed across the surface, changes occur in the tunnel currents that are recorded directly ("constant height mode") or regulated back to constant tunnel current by a control loop ("constant current mode") and the control signal are recorded.

Die zentrale Komponente eines Rasterkraftmikroskops besteht aus einem Mikroskopbalken, der auf der einen Seite an einem Träger fest einge spannt ist und am anderen freien Ende eine Spitze trägt, mit der die Oberfläche abgetastet wird. Die beim Abtasten auftretenden Auslen kungen des Mikroskopbalkens werden mit geeigneten Methoden nachgewiesen. Ähnlich der Rastertunnelmikroskopie wird auch hier zwischen "constant height mode" und "constant force mode" unter schieden. Im ersten Fall wird die Auslenkung des Federarms direkt aufge zeichnet, im zweiten Fall wird die Auslenkung des Federarms auf einen konstanten Wert geregelt und das Regelsignal aufgezeichnet. Um Ober flächen mit atomarer Auflösung abzutasten, befindet sich die Spitze in Kontakt mit der Probe.The central component of an atomic force microscope consists of one Microscope beam, which is firmly attached to a support on one side is stretched and has a tip at the other free end with which the Surface is scanned. The deflections that occur during scanning The microscope beam is tilted using suitable methods proven. Similar to scanning tunneling microscopy is also used here between "constant height mode" and "constant force mode" under divorced. In the first case, the spring arm is deflected directly records, in the second case the deflection of the spring arm on one constant value controlled and the control signal recorded. To waiter to scan surfaces with atomic resolution, the tip is in Contact with the sample.

Älter als die Rastertunnel- und Rasterkraftmikroskopie ist die optische Rastemahfeldmikroskopie. Analog dem Tunneln der Elektronen beim Rastertunnelmikroskop nutzt sie das optische Tunneln von Licht aus (D. W. Pohl, U. Ch. Fischer, U. T. Dürig: Scanning near-field optical microscopy (SNOM), Joumal of Microscopy 152, 1988, pp. 853-861). Dazu wird eine optische Sonde verwendet, die eine optische Apertur kleiner als die Wellenlänge des benutzten Lichtes besitzt und zur Messung in einen Subwellenlängenabstand zur Probe gebracht wird. Mit einer Rastereinheit wird die Oberfläche abgetastet und aus der Wechsel wirkung des Nahfeldes mit der Probenoberfläche ein Signal gewonnen. Die dabei auftretenden möglichen Kontrastmechanismen (Reflexion, Transmission, Phasenkontrast, Fluoreszenzkontrast) entsprechen den in der optischen Mikroskopie bekannten Effekten.Optical is older than scanning tunneling and atomic force microscopy Grid-field microscopy. Analogous to the tunneling of the electrons in the Scanning tunneling microscope uses the optical tunneling of light (D. W. Pohl, U. Ch. Fischer, U. T. Dürig: Scanning near-field optical microscopy (SNOM), Joumal of Microscopy 152, 1988, pp. 853-861). For this purpose an optical probe is used, which has an optical aperture has less than the wavelength of the light used and for Measurement is brought into a sub-wavelength distance to the sample. With The surface is scanned in a raster unit and the change effect of the near field with the sample surface. The possible possible contrast mechanisms (reflection, Transmission, phase contrast, fluorescence contrast) correspond to that in effects known from optical microscopy.

Als Mikroskopbalken für die Rasterkraft- und die optische Rastemahfeld mikroskopie mit transparenten Spitzen sind solche aus Siliziumnitrid mit integrierten pyramidalen Spitzen bekannt, die mit Hilfe mikrotechnischer Verfahren hergestellt werden. Die Spitze entsteht durch die Abscheidung von Siliziumnitrid auf (100)-Silizium, in das vorher durch anisotropes Ätzen eine pyramidale Vertiefung geätzt wurde (R. Albrecht, S. Akamine, T. E. Garver, G. Quate, "Microfabrication of cantilever styli for the atomic force microscopy", J. Vac. Sci. Technol. A 8 (4) 1990 pp. 3386). Diese Spitzen wurden bereits für die optische Nahfeldmikroskopie eingesetzt. Sie haben allerdings den Nachteil, daß die Spitzenradien ohne eine Nachbehandlung relativ schlecht sind. Zudem besteht die Spitze nicht aus Vollmaterial, d. h. die Spitze wird nur aus einer Schicht von der Dicke des Mikroskopbalkens gebildet. Weiterhin kann die Spitzenform nicht beein flußt werden, da diese durch die Ätzkanten im Silizium vorgegeben ist. Es ist auch heute nicht möglich, z. B. eine Spitze aus Siliziumnitrid mit einem Mikroskopbalken aus Siliziumcarbid zu kombinieren.As a microscope beam for the atomic force and the optical grid microscopy with transparent tips are made of silicon nitride integrated pyramidal tips known with the help of microtechnical Process are made. The tip is created by the deposition from silicon nitride to (100) silicon, previously in the anisotropic A pyramidal recess was etched (R. Albrecht, S. Akamine, T. E. Garver, G. Quate, "Microfabrication of cantilever styli for the atomic force microscopy ", J. Vac. Sci. Technol. A 8 (4) 1990 pp. 3386). This Tips have already been used for optical near-field microscopy. However, they have the disadvantage that the tip radii without one Aftercare is relatively bad. In addition, the tip does not consist of Solid material, d. H. the tip is made only of a layer the thickness of the Microscope beam formed. Furthermore, the tip shape cannot be affected be flowed, since this is predetermined by the etching edges in the silicon. It is still not possible today, e.g. B. a tip of silicon nitride with a Combine microscope beams made of silicon carbide.

Durch isotropes Ätzen werden bisher nur Spitzen aus massivem, ein kristallinem Silizium hergestellt. Das isotrope Naßätzen von Silizium zur Herstellung der Spitze aus Silizium ist beschrieben in: Th. Bayer, J. Greschner, H. Weiss, O. Wolter, H. K. Wickramasighe, Y. Martin: "Method of producing ultrafine silicon tips for the AFM/STM-profilometry", Euro pean Patent Application 0413040 A1 vom 16.8.89. Ein Verfahren zur Herstellung von Spitzen aus Silizium durch isotropes Plasmaätzen ist beschrieben in: T. R. Albrecht, S. Akamine, M.J. Zdeblick: "Microfabricated cantilever stylus wth integrated coical tip", US Patent 4968585 vom 6.11.1990. Diese Spitzen besitzen zwar Spitzenradien unter 10 nm, allerdings erfordert die Herstellung der Spitze immer mehrere Maskierungs- und Ätzschritte. Die Spitzen sind nicht transparent im sicht baren Wellenlängenbereich, da sie aus massivem Silizium bestehen. Durch Oxidation werden sie zwar transparent, dabei quellen sie aber auf grund der Massenzunahme auf und verlieren so ihren kleinen Spitzen radius. Weiterhin ist es bisher nicht möglich, diese Spitzen mit anderen Mikroskopbalkenmaterialien zu verbinden. Damit ist der Mikroskopbalken an Silizium als Material und dessen mechanische und optische Eigen schaften gebunden. Mikroskopbalken aus Silizium lassen′ sich nicht beliebig dünn und damit mit beliebig kleiner Federkonstante herstellen, da dies prozeßtechnisch unmöglich ist. Sehr dünne Siliziummikroskopbalken sind zudem aufgrund ihre einkristallinen Struktur sehr anfällig gegen Schockwellen, die z. B. durch Erschütterungen auftreten können.Isotropic etching has so far only made tips made of solid crystalline silicon. The isotropic wet etching of silicon for The manufacture of the tip from silicon is described in: Th. Bayer, J. Greschner, H. Weiss, O. Wolter, H.K. Wickramasighe, Y. Martin: "Method of producing ultrafine silicon tips for the AFM / STM profilometry ", euro pean Patent Application 0413040 A1 from August 16, 1989. A procedure for Manufacture of silicon tips by isotropic plasma etching described in: T. R. Albrecht, S. Akamine, M.J. Zdeblick: "Microfabricated cantilever stylus wth integrated coical tip", US patent 4968585 dated November 6, 1990. These tips do have tip radii below 10 nm, but the manufacture of the tip always requires several Masking and etching steps. The tips are not transparent in sight wavelength range because they are made of solid silicon. Oxidation makes them transparent, but they swell due to the increase in mass and thus lose their small peaks radius. Furthermore, it is not yet possible to share these tips with others Connect microscope beam materials. So that's the microscope beam of silicon as a material and its mechanical and optical properties bound. Microscope beams made of silicon 'can not as thin as desired and thus with any small spring constant, because this is technically impossible. Very thin silicon microscope beams are also very susceptible to due to their single-crystal structure Shock waves, e.g. B. can occur due to vibrations.

Die Aufgabe der Erfindung ist daher, ein einfaches Verfahren zur Herstellung einer Abtastvorrichtung zur Untersuchung von Oberflächen strukturen zu liefern. Die Anwendung auf verschiedene Materialien soll die Herstellung von Mikroskopbalken mit integrierten Spitzen sowohl für die Rastertunnel-, die Rasterkraft- und die optische Rastemahfeldmikroskopie als auch die Kombination solcher Mikroskope ermöglichen.The object of the invention is therefore a simple method for Manufacture of a scanning device for examining surfaces deliver structures. The application to different materials is said to Manufacture of microscope beams with integrated tips for both Scanning tunnel, scanning force and optical scanning field microscopy as well as the combination of such microscopes.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 4 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.This object is achieved with a method according to claims 1 to 4 solved. Advantageous embodiments of the method are the subject of Subclaims.

Die Herstellung der Spitze durch isotropes Plasmaätzen hat den Vorteil, daß sich unter Verwendung lediglich einer Maskierungsschicht, die durch einen einfachen Photolithographieprozeß strukturiert werden kann, bei verschiedenen Materialien auf reproduzierbare Weise Spitzen mit einem Spitzenradius bis unter 10 nm herstellen lassen. Da diese Spitzen ein Massenprodukt sind, ergibt sich aus einer Verringerung der Prozeßschritte ein großer Vorteile für die Fertigung. Das obige Verfahren ist für die Massenproduktion tauglich und liefert Spitzen mit einem reproduzierbaren Radius im Nanometerbereich. The production of the tip by isotropic plasma etching has the advantage that using only a masking layer, which is by a simple photolithography process can be structured at different materials in a reproducible way Have the tip radius manufactured to below 10 nm. Because these tips one Are mass product results from a reduction in process steps a big advantage for manufacturing. The above procedure is for the Suitable for mass production and delivers tips with a reproducible Radius in the nanometer range.

Weiterhin ist es auf relativ einfache Weise möglich, Mikroskopbalken mit integrierten Spitzen herzustellen.Furthermore, it is possible in a relatively simple manner to use microscope beams manufacture integrated tips.

Da in der hier vorgestellten Technologie die Schichten, aus denen die Mikroskopbalken und Spitzen gefertigt werden, unabhängig vom Substrat sind, können verschiedene Materialien für die Halter der Mikroskopbalken und Spitzen eingesetzt werden, insbesondere können diese Halter auf einfache Weise aus Silizium und photostrukturierbarem Glas hergestellt werden. Dabei entfällt ein aufwendiger Klebe- oder Bondschritt.Since in the technology presented here the layers from which the Microscope beams and tips are made, regardless of the substrate are different materials for the holder of the microscope beam and tips are used, in particular these holders can be used easily made from silicon and photostructurable glass will. A complex gluing or bonding step is not necessary.

Das Herstellungsverfahren erlaubt zudem, verschiedene Spitzen materialien mit verschiedenen Mikroskopbalken zu kombinieren und gleichzeitig Spitzenradien unter 10 nm zu erreichen. Auf diese Weise wird es erst möglich, die Abtastvorrichtung z. B. in einem kombinierten Raster tunnel-/Rasterkraftmikroskop einzusetzen. Das Verfahren erlaubt auf einfache Weise z. B. eine metallische Spitze auf einen Mikroskopbalken aus Siliziumnitrid aufzubringen. Die Spitze kann dann durch eine Leiter bahn kontaktiert werden. Damit werden die gute Leitfähigkeit von metal lischen Spitzen für die Rastertunnelmikroskopie und die guten mechani schen Eigenschaften des Siliziumnitrids als Mikroskopbalken für die Rasterkraftmikroskopie ausgenutzt.The manufacturing process also allows different tips to combine materials with different microscope beams and to achieve peak radii below 10 nm at the same time. That way it is only possible to use the scanning device e.g. B. in a combined grid tunnel / atomic force microscope. The procedure allows on simple way z. B. a metallic tip on a microscope beam applied from silicon nitride. The top can then be passed through a ladder be contacted by train. This ensures the good conductivity of metal tips for scanning tunneling microscopy and good mechani properties of silicon nitride as microscope beams for the Atomic force microscopy exploited.

Für die optische Rasternahfeldmikroskopie besitzt das Verfahren den Vorteil, daß sich auf einfache Weise reproduzierbare transparente Spitzen aus Vollmaterial mit definiertem Radius in einem Massenproduktions prozeß herstellen lassen. Über ein Mehrschichtsystem der Spitzen materialschicht wird es sogar möglich, die äußere Form der Spitze zu beeinflussen. Eine Optimierung der äußeren Spitzenform ist notwendig, damit das Licht in der Spitze bis ans Ende geführt werden kann. Zusätzlich läßt sich eine solche Spitze an einem Mikroskopbalken inte grieren, wodurch eine Kombination von Rasterkraft- und optischer Raster nahfeldmikroskopie möglich wird.The method has the for optical near-field microscopy The advantage that easily reproducible transparent tips Made of solid material with a defined radius in a mass production let the process be made. Via a multi-layer system of the tips layer of material it even becomes possible to shape the outer shape of the tip influence. An optimization of the outer tip shape is necessary so that the light in the tip can be guided to the end. In addition, such a tip can be integrated on a microscope beam freeze, creating a combination of atomic force and optical grids near field microscopy is possible.

In der Rasterkraftmikroskopie bringt die Materialvielfalt der reproduzierbar herstellbaren Spitzen den Vorteil, daß Reibungs- und Lateralkraftkontraste besser untersucht werden können. Es wird möglich, diese Kräfte einer Probe zu verschiedenen Spitzenmaterialien zu untersuchen.In atomic force microscopy, the variety of materials brings reproducible producible tips have the advantage that friction and lateral force contrasts can be better examined. It becomes possible to use these forces Sample to examine different lace materials.

Weiterhin hat das Verfahren den Vorteil, daß die Spitzen nicht aus einkristallinem Material bestehen und trotzdem Spitzenradien unter 10 nm möglich sind. Diese Spitzen sind unempfindlicher gegenüber einem unsachgemäßen Probenkontakt als z. B. einkristalline Siliziumspitzen.The method also has the advantage that the tips do not run out monocrystalline material and still have tip radii below 10 nm possible are. These peaks are less sensitive to you improper sample contact as e.g. B. single-crystal silicon tips.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung erschließt sich im Bereich der Feld emissionsspitzen. Das Verfahren ermöglicht die einfache Herstellung solcher Feldemissionsspitzen auf beliebigen Substraten. Damit wird insbesondere die einfache Kontaktierung und Adressierung solcher Spitzen möglich, die durch Strukturierung von Leiterbahnen auf dem Substrat geschehen kann, bevor die Spitzenmaterialschicht aufgebracht wird.Another advantage of the invention is in the field emission peaks. The process enables simple production such field emission peaks on any substrates. So that will in particular the simple contacting and addressing of such Tips possible by structuring conductor tracks on the Substrate can happen before the top material layer is applied becomes.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens, insbesondere auch die Kombination einer Spitze mit einem Mikroskopbalken, werden nach folgend anhand der Zeichnungen näher erläutert:Advantageous refinements of the method, in particular also the Combining a tip with a microscope beam, will be after explained in more detail below with reference to the drawings:

Es zeigen:Show it:

Fig. 1a-1c die Verfahrensschritte zur Herstellung vom Spitzen durch isotropes Plasmaätzen, FIGS. 1a-1c, the process steps for fabricating the tips by isotropic plasma etching,

Fig. 2aè die Verfahrensschritte zur Herstellung von Mikroskopbalken und Spitzen aus demselben Material mit einem Halter aus Silizium, Fig. 2A, the process steps for the production of cantilevers and tips of the same material with a holder made of silicon,

Fig. 3a-3d die Verfahrensschritte zur Herstellung von Mikroskopbalken und Spitzen aus verschiedenen Materialien mit einem Halter aus photostrukturier barem Glas. Fig. 3a-3d the process steps for the production of microscope beams and tips made of different materials with a holder made of photostructurable glass.

Im folgenden wird das Verfahren zur Herstellung einer Spitze durch isotropes Trockenätzen einer Spitzenmaterialschicht beschrieben.The following is the procedure for making a tip Isotropic dry etching of a layer of tip material is described.

Zur Herstellung einer Spitze durch isotropes Plasmaätzen wird zunächst auf ein beliebiges Substrat die Spitzenmaterialschicht in einer Dicke von ca. 5 µm aufgebracht. Sollen transparente Spitzen hergestellt werden, kann es sich z. B. um eine Siliziumnitrid- oder Siliziumcarbidschicht handeln, die vorteilhaft durch einen PEGVD-Prozeß (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition Process) aufgebracht wird, da dieser Prozeß eine hohe Abscheiderate kombiniert mit einer guten Streßkontrolle ermöglicht. Auf diese Spitzenmaterialschicht wird eine Maskierungsschicht aus Photolack z. B. durch Spincoaten aufgebracht. Gut geeignet sind Photolackschichten einer Dicke von ca. 5 µm. Diese Photolackschicht wird durch einen Photolithographieprozeß strukturiert, so daß Maskierungs strukturen entstehen. Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, quadra tische Maskierungsstrukturen zu verwenden, aber auch andere Formen z. B. dreieckige, viereckige oder runde sind möglich. Der Durchmesser der Maskierungsstruktur sollte an die Dicke der Spitzenmaterialschicht und den Ätzprozeß angepaßt werden und etwa das doppelte der Dicke der Spitzenmaterialschicht betragen. Anschließend wird die Spitzenmaterial schicht in einem Plasmaätzer mit GF₄ als Gas isotrop geätzt. Ent scheidend für das Auswahl des Gasgemisches ist, daß ein gasförmiges Abbauprodukt entsteht. Für solches isotropes Plasmaätzen sind vor allem Barrel- oder Parallelplattenreaktoren geeignet. Beim isotropen Ätzprozeß entstehen unter der Maskierungsstruktur die Spitzen. Die Maskierungs struktur muß dann gegebenenfalls noch durch Ablacken entfernt werden.To make a tip by isotropic plasma etching, first on any substrate, the lace material layer in a thickness of approx. 5 µm applied. If transparent tips are to be produced, can it be z. B. a silicon nitride or silicon carbide layer act advantageously through a PEGVD process (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition Process) is applied as this process a high separation rate combined with good stress control enables. A masking layer is placed on this top material layer from photoresist e.g. B. applied by spin coating. Are well suited Photoresist layers with a thickness of approx. 5 µm. This photoresist layer will structured by a photolithography process so that masking structures emerge. It turned out to be beneficial, quadra table masking structures to use, but also other shapes such. B. triangular, square or round are possible. The diameter of the Masking structure should match the thickness of the tip material layer and be adapted to the etching process and about twice the thickness of the Lace material layer. Then the lace material layer etched isotropically in a plasma etcher with GF₄ as the gas. Ent It is crucial for the selection of the gas mixture that a gas Breakdown product is created. For such isotropic plasma etching are above all Suitable for barrel or parallel plate reactors. In the isotropic etching process the peaks appear under the masking structure. The masking structure may then have to be removed by stripping.

In der Fig. 1a ist auf einem Substrat 6 aus Silizium eine Spitzensubstrat schicht 2 aus Siliziumnitrid und auf diese Spitzensubstratschicht 2 eine Maskierungsschicht 3 aus Photolack aufgebracht. Die Dicke der Siliziumnitridschicht bestimmt die maximal erreichbare Länge der Spitze. In einem Photolithographieprozeß wird mit Hilfe einer Belichtung und einer Maske die Maskierungsschicht für den Ätzprozeß strukturiert. In Fig. 1b ist die strukturierte Maskierungsschicht 4a zu sehen. Die Breite der Maskierungsstruktur richtet sich nach der zu erzielenden Länge der Spitze und den Parametern des folgenden Plasmaätzprozesses. Die Form der Maskierungsstruktur kann beliebig sein, sie wird durch eine Chrommaske vorgegeben. Es hat sich allerdings als vorteilhaft herausgestellt, eine quadratische Maskierungsstruktur zu verwenden.In Fig. 1a is on a substrate 6 made of silicon, a top substrate layer 2 of silicon nitride and applying a masking layer 3 of photoresist on top of this substrate layer 2. The thickness of the silicon nitride layer determines the maximum achievable length of the tip. In a photolithography process, the masking layer for the etching process is structured using an exposure and a mask. The structured masking layer 4 a can be seen in FIG. 1b. The width of the masking structure depends on the length of the tip to be achieved and the parameters of the subsequent plasma etching process. The shape of the masking structure can be any, it is specified by a chrome mask. However, it has proven to be advantageous to use a square masking structure.

Im nächsten Schritt wird durch einen isotropen Plasmaätzprozeß die Spitze 1 unter der Maskierungsstruktur erstellt. Der Vorteil des isotropen Plasmaätzprozesses liegt darin, daß die Maskierungsstruktur unterätzt wird und eine Spitze 1 entsteht. Das geschieht z. B. in einem Barrelreaktor mit GF₄. Die Dauer des Plasmaätzprozesses richtet sich nach der gewünschten Höhe der Spitze. Die Spitze 1 auf dem Substrat 6 zeigt Fig. 1c. Es hat sich herausgestellt, daß es nicht unbedingt notwendig ist, genau so lange zu ätzen, bis das Spitzenmaterial durchgeätzt und das Substrat erreicht ist. Eine geringe Überätzung verringert die Länge der Spitze, ohne daß die Spitze an sich zerstört wird. Zum Schluß muß die Maskierungsstruktur 4a aus Photolack durch Ablacken in einem Ent wickler oder Strippen entfernt werden.In the next step, the tip 1 is created under the masking structure by an isotropic plasma etching process. The advantage of the isotropic plasma etching process is that the masking structure is underetched and a tip 1 is created. This happens e.g. B. in a barrel reactor with GF₄. The duration of the plasma etching process depends on the desired height of the tip. The tip 1 on the substrate 6 is shown in FIG. 1c. It has been found that it is not absolutely necessary to etch until the tip material is etched through and the substrate is reached. A slight overetch reduces the length of the tip without destroying the tip itself. Finally, the masking structure 4 a must be removed from photoresist by stripping in a developer or stripping.

Indem ein isotroper Plasmaätzprozeß mit einem anisotropen Plasmaätz prozeß kombiniert wird, ist es mögliche die äußere Form der Spitze zu verbessern. Ein anisotroper Ätzprozeß kann z. B. in einem reaktiven Ionenätzer (RIE) und einem Gasgemisch aus CHF₃ und O₂ durchgeführt werden. Zunächst wird in einem anisotropen Plasmaätzschritt ein Teil der Spitzenmaterialschicht geätzt, so daß unter der Maskierungsstruktur eine Säule entsteht. Anschließend wird durch den isotropen Plasmaätzschritt unter der Maskierungsstruktur die Spitze ausgebildet. Am Schluß wird die Maskierungsstruktur durch Ablacken entfernt, wenn es nicht nach Abschluß des isotropen Ätzprozesses schon abgefallen ist. Es ist jedoch immer ein Reinigungsschritt nach dem Plasmaätzen zu empfehlen.By using an isotropic plasma etching process with an anisotropic plasma etching process is combined, it is possible the outer shape of the tip too improve. An anisotropic etching process can e.g. B. in a reactive Ion etcher (RIE) and a gas mixture of CHF₃ and O₂ performed will. First of all, part of the Lace material layer etched so that under the masking structure Pillar arises. Then the isotropic plasma etching step the tip is formed under the masking structure. In the end the Masking structure removed by stripping if it's not after Completion of the isotropic etching process has already dropped. However, it is always recommend a cleaning step after plasma etching.

In den nachfolgenden Beispielen werden zwei typische Verfahren zur Herstellung einer Spitze durch isotropes Plasmaätzen an einem Mikros kopbalken für eine Abtastvorrichtung beschrieben.In the examples below, two typical methods are used Production of a tip by isotropic plasma etching on a microscope Kopbalken described for a scanner.

In den Fig. 2a bis 2e werden die einzelnen Verfahrensschritte zur Herstellung einer Abtastvorrichtung mit einem Mikroskopbalken und einer Spitze sowie einem Halter aus Silizium dargestellt. Dabei besteht der Mikroskopbalken und die Mikroskopspitze aus demselben Material, in diesem Beispiel aus Siliziumcarbid.In FIGS. 2a to 2e, the individual process steps for manufacturing a scanning device are displayed with a cantilever and a tip, and a holder made of silicon. The microscope beam and the microscope tip are made of the same material, in this example silicon carbide.

Die ersten Prozeßschritte zeigt Fig. 2a. Auf einen Siliziumwafer, dessen Oberfläche kristallographisch in (100)-Richtung orientiert ist, wird eine einige Mikrometer dicke Schicht 5 aus Siliziumcarbid mittels eines PECVD-Prozesses aufgebracht. Die Dicke dieser Schicht setzt sich aus der Dicke des Mikroskopbalkens und der Höhe der Spitze zusammen. Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, einen PEGVD-Prozeß zu verwen den, da bei diesem Prozeß über die Prozeßparameter der Streß in der abgeschiedenen Schicht minimiert werden kann. Außerdem besitzt der PEGVD-Prozeß eine hohe Abscheiderate, so daß die Prozeßzeit kurz gehalten werden kann. Die Unterseite des Siliziumwafers wird mit einer dünnen Siliziumcarbidschicht abgedeckt. Diese wird mittels eines Photo lithographie- und anisotropen Plasmaätzprozesses strukturiert. Durch diese Strukturierung wird auf der Unterseite der Siliziumwafer unter dem späteren Mikroskopbalken freigelegt. Von dort wird der Siliziumwafer in 20%iger KOH-Lösung naßchemisch anisotrop bis auf eine einige Mikro meter dünne Schicht unter der Siliziumcarbidschicht geätzt. Dieses naß chemische Vorätzen ermöglicht es später, den Mikroskopbalken mit Spitze schneller freitragend herzustellen.The first process steps are shown in Fig. 2a. A layer 5 of silicon carbide, which is a few micrometers thick, is applied to a silicon wafer whose surface is oriented crystallographically in the (100) direction by means of a PECVD process. The thickness of this layer is made up of the thickness of the microscope beam and the height of the tip. It has proven to be advantageous to use a PEGVD process, since in this process the stress in the deposited layer can be minimized via the process parameters. In addition, the PEGVD process has a high deposition rate, so that the process time can be kept short. The underside of the silicon wafer is covered with a thin layer of silicon carbide. This is structured using a photo lithography and anisotropic plasma etching process. This structuring exposes the underside of the silicon wafer under the microscope beam. From there, the silicon wafer in 20% KOH solution is anisotropically wet-chemically etched down to a layer a few micrometers thick under the silicon carbide layer. This wet chemical pre-etching later enables the microscope beam to be cantilevered more quickly.

Auf die dicke Schicht 5 aus Siliziumcarbid wird eine Maskierungsschicht aus Photolack aufgebracht. Diese wird mittels eines Photolithographie prozesses so strukturiert, daß eine Maskierungsstruktur 4b für die Vorform des Mikroskopbalkens und den Mikroskopbalkenhalter entsteht. Das zeigtA masking layer of photoresist is applied to the thick layer 5 of silicon carbide. This is structured by means of a photolithography process so that a masking structure 4 b is created for the preform of the microscope beam and the microscope beam holder. This shows

Fig. 2b. Fig. 2b.

Mittels eines anisotropen Plasmaätzprozesses in einem RIE-Reaktor wird die Struktur der Maskierung 4b in die Siliziumcarbidschicht übertragen. Das dazu nötige Gasgemisch besteht vorteilhafterweise aus einer Mischung von SF₆, O₂ und Ar. Es entsteht eine strukturierte dicke Schicht als Vorform eines Mikroskopbalkens 8 und eines Mikroskopbalkenhalters 10. Danach wird die strukturierte Maskierungsschicht entfernt und eine neue Maskierungsschicht aus Photolack aufgebracht. In der Fig. 2c ist dargestellt, wie diese wiederum durch einen Photolithographieprozeß strukturiert wird, so daß eine wenige Mikrometer dicke Maskierungs struktur 4a für die Spitze entsteht. Dabei darf die Breite der Maskierungs struktur 4a nicht größer als die Breite der Vorform des Mikroskopbalkens 8 sein. Das zeigt Fig. 2d als Draufsicht von Fig. 2c. Es sind zwei Vor formen für Mikroskopbalken 8 mit den dazugehörigen Maskierungs strukturen 4a für die Spitzen zu sehen. Die Draufsicht zeigt auch wie durch eine Aneinanderreihung viele Mikroskopbalken gleichzeitig gefertigt werden können. Die einzelnen Abtastvorrichtungen können später durch Ritzen und Brechen voneinander getrennt werden.The structure of the mask 4 b is transferred into the silicon carbide layer by means of an anisotropic plasma etching process in an RIE reactor. The gas mixture required for this advantageously consists of a mixture of SF₆, O₂ and Ar. A structured, thick layer is formed as a preform of a microscope beam 8 and a microscope beam holder 10 . The structured masking layer is then removed and a new masking layer of photoresist is applied. In Fig. 2c it is shown how this is in turn structured by a photolithography process, so that a mask structure a few micrometers thick 4 a is formed for the tip. The width of the masking structure 4 a must not be greater than the width of the preform of the microscope beam 8 . The Fig. 2d as a plan view of Fig. 2c. There are two pre forms for microscope beams 8 with the associated masking structures 4 a for the tips. The top view also shows how a large number of microscope beams can be manufactured at the same time. The individual scanning devices can later be separated from one another by scoring and breaking.

Durch einen isotropen Plasmaätzprozeß wird nun die Spitze unter der Maskierungsstruktur geätzt. Das geschieht in einem Barrelreaktor mit SF₆. Dabei richtet sich die Ätzdauer nach der Länge der Spitze und der Ätzrate. Allerdings wird das Siliziumcarbid nicht bis auf den Siliziumwafer durchgeätzt. Der Ätzprozeß wird vorher beendet, so daß der Mikroskop balken 10 und Mikroskopbalkenhalter 10 mit der gewünschten Dicke ent stehen. Danach wird die restliche Siliziumschicht unter dem Mikroskop balken durch naßchemisches anisotropes Ätzen in KOH-Lösung entfernt. Fig. 2e zeigt das Ergebnis diese Prozesses. Es entsteht ein freitragender Mikroskopbalken 10 mit einer Spitze 1 an einem Halter 11 aus Silizium. The tip under the masking structure is now etched by an isotropic plasma etching process. This happens in a barrel reactor with SF₆. The etching time depends on the length of the tip and the etching rate. However, the silicon carbide is not etched through to the silicon wafer. The etching process is terminated in advance, so that the cantilever 10 and cantilever support 10 having the desired thickness are ent. The remaining silicon layer is then removed under the microscope bar by wet chemical anisotropic etching in KOH solution. Fig. 2e shows the result of this process. A cantilevered microscope beam 10 is formed with a tip 1 on a holder 11 made of silicon.

Für manche Anwendungen ist es von Vorteil, wenn die Eigenschaften des Balkenmaterials nicht mit den gewünschten (mechanischen, optischen oder elektrischen) Eigenschaften der Spitze übereinstimmen. In den Fig. 3a-3d wird daher ein typisches Verfahren zur Herstellung einer Abtastvorrichtung bestehend aus einem Mikroskopbalken und einer Spitze aus verschiedenen Materialien beschrieben. In dem beschriebenen Bei spiel besteht der Halter aus photostrukturierbarem Glas.For some applications it is advantageous if the properties of the beam material do not match the desired (mechanical, optical or electrical) properties of the tip. In FIGS. 3a-3d, therefore, a typical process for producing a scanning device is described consisting of a cantilever and a tip made of different materials. In the example described, the holder consists of photostructurable glass.

In der Fig. 3a ist die Vorstrukturierung des Halters 11 dargestellt. Zunächst wird das Substrat 6 aus photostrukturierbarem Glas durch eine Photomaske, die die Struktur des Halters als Chromstruktur auf Quarzglas 12 besitzt, mit UV-Licht bestrahlt, was z. B. mit einer Quecksilberdampf lampe geschehen kann und durch die eingezeichneten Pfeile angedeutet wird. Das UV-Licht erzeugt an den bestrahlten Stellen des photostruktu rierbaren Glases Kristallisationskeime. Beim nun folgenden Temper prozeß bei ca. 600°C kristallisiert daraufhin das Glas an diesen Stellen aus und kann später mit einer um den Faktor 10-20 größeren Ätzrate gegenüber dem unbelichteten Glas in Flußsäure geätzt werden.The pre-structuring of the holder 11 is shown in FIG. 3a. First, the substrate 6 made of photostructurable glass is irradiated with UV light through a photomask, which has the structure of the holder as a chrome structure on quartz glass 12 . B. can be done with a mercury vapor lamp and is indicated by the arrows. The UV light generates crystallization nuclei at the irradiated areas of the photostructurable glass. In the subsequent tempering process at approx. 600 ° C, the glass then crystallizes out at these points and can later be etched in hydrofluoric acid with a 10-20 times larger etching rate than the unexposed glass.

Fig. 3b zeigt das belichtete und getemperte photostrukturierbare Glas. Der auskristallisierte Bereich ist grau unterlegt. Auf das Substrat aus photostrukturierbarem Glas wird nun mittels eines PEGVD-Prozesses eine Mikroskopbalkenschicht 7 aus z. B. Siliziumcarbid aufgebracht. Die Dicke dieser Schicht bestimmt später die Dicke des Mikroskopbalkens und kann durch den PEGVD-Prozeß sehr genau hergestellt werden. Damit läßt sich die Federkonstante des Mikroskopbalkens sehr genau festlegen. Auf die Mikroskopbalkenschicht wird eine Maskierungsschicht aus Photolack auf gebracht, die durch einen Photolithographieprozeß so strukturiert wird, daß eine Maskierungsstruktur 4b für den Mikroskopbalken und den Mikroskopbalkenhalter entsteht. FIG. 3b shows the exposed and annealed photostructurable glass. The crystallized area is highlighted in gray. On the substrate made of photostructurable glass, a microscope beam layer 7 made of z. B. applied silicon carbide. The thickness of this layer later determines the thickness of the microscope beam and can be produced very precisely using the PEGVD process. The spring constant of the microscope beam can thus be determined very precisely. A masking layer of photoresist is applied to the microscope beam layer, which is structured by a photolithography process in such a way that a masking structure 4 b is formed for the microscope beam and the microscope beam holder.

Diese Struktur wird nun durch anisotropes Trockenätzen in einem RIE- Reaktor und einem Gasgemisch aus SF₆, O₂ und Ar in die Siliziumcarbid schicht übertragen, so daß der Mikroskopbalken 10 mit dem Mikroskop balkenhalter 10 entstehen. Danach wird die Maskierungsschicht durch Ablacken entfernt. Darauf wird nun durch einen Sputterprozeß die Spitzenmaterialschicht 2 aus Titan aufgebracht. Auf die Spitzenmaterial schicht wird eine Schicht Photolack als neue Maskierungsschicht aufge bracht. Diese Schicht wird mit einem Photolithographieprozeß strukturiert, so daß die Maskierungsstruktur 4a für die Spitze entsteht. Das zeigt Fig. 3c.This structure is now transferred by anisotropic dry etching in a RIE reactor and a gas mixture of SF₆, O₂ and Ar in the silicon carbide layer, so that the cantilever beam 10 holder with the microscope arise 10th The masking layer is then removed by stripping. Then the tip material layer 2 made of titanium is applied by a sputtering process. A layer of photoresist is applied to the top material layer as a new masking layer. This layer is structured using a photolithography process, so that the masking structure 4 a is created for the tip. This is shown in Fig. 3c.

Jetzt wird durch isotropes Plasmaätzen die Spitze in einem Barrelreaktor mit GF₄ hergestellt. Die Dauer des Plasmäatzens bei der Herstellung der Spitze richtet sich dabei nach der Dicke der Titanschicht und der Ätzrate des Titans. Anschließend wird die gesamte Oberseite des photostruk turierbaren Glases mit Mikroskopbalken und Spitze durch eine dicke Photolackschicht geschützt. Dann wird das photostrukturierbare Glas in 40%iger Flußsäure geätzt und nachher durch Ablacken der Photolack entfernt. Die Fig. 3d zeigt den Halter 11 mit Mikroskopbalkenhalter, Mikroskopbalken und Spitze. Die einzelnen Abtastvorrichtungen können nun vereinzelt werden, indem der Halter aus Glas geritzt und dann gebro chen wird.Now the tip is produced by isotropic plasma etching in a barrel reactor with GF₄. The duration of the plasma etching during the manufacture of the tip depends on the thickness of the titanium layer and the etching rate of the titanium. Then the entire top of the photostructurable glass is protected with a microscope bar and tip by a thick layer of photoresist. Then the photostructurable glass is etched in 40% hydrofluoric acid and subsequently removed by stripping the photoresist. Fig. 3d shows the holder 11 with microscope beam holder, microscope beam and tip. The individual scanning devices can now be separated by scratching the holder made of glass and then breaking it.

BezugszeichenlisteReference list

1 Spitze
2 Spitzenmaterialschicht
3 Maskierungsschicht
4a, b Maskierungsstruktur
5 Dicke Schicht
6 Substrat
7 Mikroskopbalkenschicht
8 Mikroskopbalkenvorform
9 Mikroskopbalken
10 Mikroskopbalkenhalter
11 Halter
12 Chrommaskenstruktur
13 Strukturierte Siliziumcarbidschicht 1 top
2nd Lace material layer
3rd Masking layer
4tha, b masking structure
5 Thick layer
6 Substrate
7 Microscope beam layer
8th Microscope beam preform
9 Microscope beam
10th Microscope beam holder
11 holder
12th Chrome mask structure
13 Structured silicon carbide layer

Claims

1. A method for producing a tip, characterized in that
that a masking layer ( 3 ) is applied to a lace material layer ( 2 ),
that a masking structure ( 4 a) is created from the masking layer ( 3 ),
that the tip ( 1 ) is formed under the masking structure ( 4 a) by isotropic plasma etching of the layer of tip material ( 2 ),
that the masking structure ( 4 a) is removed by rinsing, stripping or etching.

2. A method for producing a microscope beam with an integrated tip, characterized in that
that a thick layer ( 5 ) is applied to a substrate ( 6 ),
that a masking layer (3) is applied to the thick layer, is created from the masking structure (4 b) as a preform of a cantilever with holder,
that the shape of the masking structure ( 4 b) is transferred into the thick layer by anisotropic plasma etching,
that the masking structure ( 4 b) is removed by stripping or etching,
that a new masking layer ( 3 ) is applied, from which a masking structure ( 4 a) is created at the end of the preform of the microscope beam ( 8 ),
that the tip ( 1 ) is formed by isotropic plasma etching of the tip material layer ( 2 ) under the masking structure ( 4 a), the thick layer not being etched down to the substrate, so that a microscope beam ( 10 ) is formed at the same time,
that the masking structure ( 4 a) is removed by rinsing, stripping or etching,
that the substrate under the microscope beam is removed by etching, so that a free microscope beam with holder is formed.

3. A method for producing a microscope beam with an integrated tip, characterized in that
that a thick layer ( 5 ) is applied to a substrate ( 6 ),
that a masking layer ( 3 ) is applied to the thick layer, from which a masking structure ( 4 a) is created,
that the tip ( 1 ) is formed by isotropic plasma etching of the tip material layer ( 2 ) under the masking structure ( 4 a),
that the masking structure ( 4 ) is removed by rinsing, stripping or etching,
that a new masking layer (3) is applied, is created from the masking structure (4 b) of the form of a cantilever with holder, with the end of the cantilever is on the tip (1),
that the shape of the masking structure ( 4 b) is transferred into the microscope beam layer ( 7 ) by isotropic or anisotropic plasma etching, the tip ( 1 ) being protected by the masking structure,
that the masking structure ( 4 b) is removed by rinsing, stripping or etching.

4. A process for producing a microscope beam with an integrated tip, characterized in that
that a microscope beam layer ( 7 ) is applied to a substrate,
that is applied to the cantilever layer (7), a masking layer (3), is created from the masking structure (4 b) of the form of a cantilever (10) with holder,
that the shape of the masking structure ( 4 b) is transferred into the microscope beam layer ( 7 ) by plasma etching,
a tip material layer ( 2 ) is applied to the microscope beam with holder,
that a new masking layer ( 3 ) is applied, from which a masking structure ( 4 a) is created at the end of the microscope beam,
that the tip ( 1 ) is formed by isotropic plasma etching of the tip material layer ( 2 ) under the masking structure ( 4 a),
that the masking structure ( 4 ) is removed by stripping or etching.

5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the masking layer ( 3 ) contains a photoresist, a metal, a metal oxide or a layer system combined therefrom.

6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the tip ( 1 ) made of a transparent material, such as. B. silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride or silicon carbide.

7. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the tip ( 1 ) made of a conductive material such as. B. titanium, tungsten, tungsten silicide or a dielectric made conductive by doping.

8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the tip material layer ( 2 ) and the thick layer ( 5 ) and thus the tip ( 1 ) consists of several layers.

9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that in the isotropic plasma etching of the tip material layer ( 2 ) a flattened tip ( 1 ) is formed at its end.

10. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the microscope beam is made of a material such as As silicon, silicon nitride, silicon oxynitride or silicon carbide is made.

11. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the tip ( 1 ) or the microscope beam and the tip ( 1 ) are covered with a protective layer during the etching of the substrate.

12. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the substrate consists of an etchable Material such as As silicon, glass, photostructurable glass, metal or metal oxide.