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Technisches Anwendungsgebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Submikrometerstrukturen
an einer Topographie, insbesondere an einer Topographie mit Erhebungen,
die ein Aspektverhältnis ≥ 1 aufweisen. Die Erzeugung
kleinster Strukturen an derartigen Topographien ist beispielsweise
in einigen Bereichen der Mikro- und Nanoelektronik, der MEMS (microelectromechanical
systems), der NEMS (nanoelectromechanical systems) oder der NOEMS
(nanooptical and electromechanical systems). Besonders für
die Herstellung von Abtastspitzen oder Sonden in diesen Bereichen
ist häufig eine Strukturierung von feinen Spitzen erforderlich.
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Stand der Technik
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Ein
bekanntes Verfahren zur Erzeugung von Submikrometer-Strukturen an
einer ausgeprägten Topographie nutzt eine aufgeschleuderte
Maskierungsschicht für die Strukturierung im Submikrometerbereich.
Bei diesem Verfahren wird eine dünne Schicht eines Polymers
so auf die Topographie aufgeschleudert, dass die Dicke der Schicht
geringer ist als die Höhe der Topographie. Die höchsten
Punkte der Topographie ragen somit aus der maskierenden Polymerschicht
heraus. Der ungeschützte Bereich der Topographie kann dann
beispielsweise nass-chemisch behandelt werden, wobei der restliche
Bereich der Topographie und des Substrates durch die Maskierungsschicht
geschützt ist. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise
in T. Leinhos, „Mikromechanische Herstellung thermischer
Nahfeldsensoren auf der Basis von Schottky-Dioden", Dissertation
an der Universität-Gesamthochschule Kassel, 2001, Seiten 52–58,
beschrieben.
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Dieses
bekannte Verfahren lässt sich kostengünstig durchführen
und verursacht nur eine geringe Schädigung des Substrates.
Allerdings bestehen sehr hohe Anforderungen in Bezug auf die Höhenschwankungen
der Topographie bzw. die Dickenschwankungen der Polymerschicht sowie
in Bezug auf die Reproduzierbarkeit der Topographie-Ausprägung
und der Polymerdicke von Substrat zu Substrat. In der Praxis ergeben
sich daraus häufig Größenschwankungen
der Zielstruktur im Bereich von mehreren Mikrometern.
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Ein
weiteres bekanntes Verfahren zur Erzeugung von Submikrometerstrukturen
an einem Spitzenapex nutzt für die Strukturierung fokussierte
Teilchenstrahlen, beispielsweise einen ionisierten Galliumstrahl.
Mit einem derartigen Teilchenstrahl lässt sich Material
der Topographie kontrolliert in einem Bereich mit einer lateralen
Abmessung von unter 100 nm abtragen, so dass auf diese Weise gezielt
kleinste Strukturen hochgenau und reproduzierbar erzeugt werden
können. Höhenschwankungen der Topographie beeinflussen
bei diesem Verfahren kaum das Ergebnis. Allerdings erfolgt durch
den Beschuss der Topographie mit hochenergetischen Ionen eine beträchtliche
Schädigung der betroffenen Materialien. Die oberflächennahen
Bereiche der damit erzeugten Struktur beinhalten in hohem Maße
die Ionen des Teilchenstrahls. Zudem wird das Gefüge des
Strukturmaterials durch den Innenbeschuss an der Oberfläche
geschädigt oder verändert. So wird beispielsweise
einkristallines Silizium durch den Beschuss mit Gallium-Ionen sowohl
teilweise amorphisiert als auch mit Gallium-Ionen dotiert, was sowohl
die mechanischen als auch die elektrischen Eigenschaften des Siliziums
verändert. Der Einsatz eines derartigen Verfahrens sowie
die dabei auftretenden Schädigungen des Substratmaterials
werden beispielsweise in C. Lehrer, „Effekte bei
der Nanostrukturierung mittels fokussierter Innenstrahlen", Shaker
Verlag Aachen, 2005, Seiten 35–68, beschrieben.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren
zur Erzeugung von Submikrometer-Strukturen an einer ausgeprägten
Topographie anzugeben, mit dem sich kostengünstig kleinste
Strukturen im Submikrometerbereich zuverlässig und reproduzierbar
realisieren lassen, ohne die Topographie oder das Substrat zu schädigen.
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Darstellung der Erfindung
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Die
Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch
1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind
Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich der nachfolgenden
Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
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Bei
dem vorgeschlagenen Verfahren wird eine Schichtfolge mit zumindest
einer oberen Maskierungsschicht und einer darunter liegenden zu strukturierenden
Schicht so auf die Topographie aufgebracht, dass sie die Topographie
gleichmäßig bedeckt. Unter der gleichmäßigen
Bedeckung wird hierbei die vollständige Bedeckung mit definierten Schichtdicken
der einzelnen Schichten verstanden. Die Maskierungsschicht und die
zu strukturierende Schicht sind dabei derart gewählt, dass
die zu strukturierende Schicht selektiv zur Maskierungsschicht ätzbar
ist. Mit einem Energiestrahl, beispielsweise einem Innenstrahl oder
einem Laserstrahl, wird anschließend wenigstens eine Öffnung
mit Submikrometerabmessungen an der zu strukturierenden Stelle in
die Maskierungsschicht eingebracht. Die zu strukturierende Schicht
wird dann durch die wenigstens eine Öffnung hindurch zur
Erzeugung der Submikrometerstruktur selektiv geätzt. Als Ätzverfahren
kommen hierbei sowohl nass-chemische als auch trockenchemische Ätzverfahren
in Frage, solange diese die selektive Ätzung der zu strukturierenden
Schicht gegenüber der darüber liegenden Maskierungsschicht
und vorzugsweise auch gegenüber einer unmittelbar darunter
liegenden Schicht oder der unmittelbar darunter liegenden Oberfläche
der Topographie ermöglichen. Nach der Durchführung
des Ätzvorganges wird die Maskierungsschicht entfernt.
Die dadurch erhaltene Struktur auf der Topographie kann anschließend
bei Bedarf einer weiteren Bearbeitung unterzogen werden.
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Das
vorgeschlagene Verfahren lässt sich kostengünstig
durchführen und ermöglicht in vorteilhafter Weise
die zuverlässige und reproduzierbare Herstellung von Strukturen
im Submikrometerbereich, ohne das Substrat oder die Topographie
zu schädigen. Durch die Strukturierung der Maskierungsschicht
mit einem Energiestrahl wird eine Genauigkeit und minimale Strukturgröße
erreicht, die durch die hohe Genauigkeit der Bearbeitung mit dem Energiestrahl
ausgezeichnet ist. Im Gegensatz zu der aus dem Stand der Technik
bekannten Bearbeitung einer Topographie mit einem Teilchenstrahl
verursacht das vorliegende Verfahren jedoch keine Schädigung
der Struktur oder des Substrates. Besonders vorteilhaft lässt
sich das Verfahren für die Erzeugung von Submikrometerstrukturen
an Topographien einsetzen, die Erhebungen mit einem hohen Aspektverhältnis
von ≥ 1 aufweisen. Diese Strukturen können vielfältige
Zwecke erfüllen und ermöglichen beispielsweise
völlig neue Ansatzpunkte für die Herstellung unterschiedlicher
Sensoren. Insbesondere lassen sich hierbei Spitzen von Erhebungen
mit hoher Genauigkeit strukturieren, um beispielsweise Abtastspitzen
oder Abtastsonden erzeugen zu können.
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Die
Schichtfolge lässt sich beim vorliegenden Verfahren mit
unterschiedlichen Methoden aufbringen, beispielsweise mittels CVD
(chemical vapor deposition) durch Sputtern oder durch Bedampfen. Das
gewählte Auftragsverfahren muss lediglich sicherstellen,
dass die einzelnen Schichten der Schichtfolge die Topographie einerseits
vollständig bedecken und sich andererseits mit einer definierten Dicke
aufbringen lassen. Durch die anschließende Erzeugung von
definierten Öffnungen in der Maskierungsschicht wird die
darunter liegende zu strukturierende Schicht für geeignete Ätzmedien
zugänglich. Die eingebrachten Öffnungen können
ein oder mehrere Löcher oder Gräben sein. Selbstverständlich lassen
sich mit dem Energiestrahl auch Öffnungen anderer Geometrie
im Submikrometerbereich erzeugen, falls dies für die nachfolgende Ätzung
der zu strukturierenden Schicht erforderlich ist. Die Maskierungsschicht
dient dabei als Hartmaske für die Ätzung der zu
strukturierenden Schicht und kann beispielsweise aus entsprechenden
Metallen, Oxiden oder Nitriden gebildet sein.
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Besonders
vorteilhaft lässt sich das vorgeschlagene Verfahren zur
Strukturierung von Spitzen einsetzen, wobei die Öffnung
in der Maskierungsschicht dann vorzugsweise genau an der Spitze
der entsprechenden Erhebung der Topographie in die Maskierungsschicht
eingebracht wird. Je nach eingesetztem Ätzprozess wird
dann die darunter liegende zu strukturierende Schicht nur innerhalb
des Öffnungsbereiches geätzt (gerichteter Ätzprozess)
oder die Maskierungsschicht kann bei Einsatz eines nichtgerichteten Ätzprozesses
auch gezielt unterätzt werden.
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Bei
dem vorgeschlagenen Verfahren kann die Schichtfolge lediglich aus
der oberen Maskierungsschicht und der darunter liegenden zu strukturierenden
Schicht bestehen, die dann direkt auf der Oberfläche der
Topographie aufliegt. In einer anderen Ausgestaltung kann die Schichtfolge
jedoch auch aus mehr als zwei Schichten bestehen, wobei dann unterhalb
der zu strukturierenden Schicht eine oder mehrere weitere Schichten
vorhanden sind. Vorzugsweise kann dann eine unterhalb der zu strukturierenden
Schicht liegende weitere Schicht so gewählt sein, dass
sich die zu strukturierende Schicht selektiv zur weiteren Schicht ätzen
lässt. Dies ermöglicht eine Strukturierung der
zu strukturierenden Schicht ohne die darunter liegende Schicht zu
beeinflussen. Weiterhin kann auch diese weitere Schicht so gewählt sein,
dass sie sich selektiv einerseits zu der zu strukturierenden Schicht
und andererseits auch zu einer unter ihr liegenden weiteren Schicht
oder der unter ihr liegenden Topographie ätzen lässt.
In diesem Falle kann durch mehrere Ätzschritte zunächst
die zu strukturierende Schicht und anschließend die darunter
liegende weitere Schicht selektiv geätzt werden, wobei
die zu strukturierende Schicht nach deren Ätzung bzw. Strukturierung
als Ätzmaske für die selektive Ätzung
der darunter liegenden weiteren Schicht dienen kann.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Das
vorliegende Verfahren wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert.
Hierbei zeigen:
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1 zwei
Beispiele für eine Topographie mit Erhebungen eines hohen
Aspektverhältnisses, die gemäß dem vorliegenden
Verfahren vorteilhaft strukturiert werden können;
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2–5 schematisch ein Beispiel für
den Verfahrensablauf zur Strukturierung einer Spitze einer Topographie;
und
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6 ein
weiteres Beispiel für eine gemäß dem
vorgeschlagenen Verfahren strukturierte Spitze.
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Wege zur Ausführung der Erfindung
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Die 1 und 1a zeigen
beispielhaft Ausschnitte aus einer Topographie, die Erhebungen mit einem
Aspektverhältnis von in diesem Falle 1, 25 aufweist.
In der 1 ist diese Erhebung 1a als Spitze auf
dem Substrat 1 ausgebildet, während 1a eine
zylinderförmige Erhebung 1a zeigt. In beiden Fällen
kann selbstverständlich die jeweilige Erhebung 1a aus
einem anderen Material als das Substrat 1 bestehen.
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Die 2 bis 5 zeigen im Folgenden eine Strukturierung
der Spitze der Erhebung 1a der 1 einer
derart ausgeprägten Topographie. Hierzu wird auf die Topographie
eine Schichtfolge aus drei Schichten 2, 3, 4 so
aufgebracht, dass die Topographie vollständig bedeckt ist.
Die unterste Schicht 2 dieser Schichtfolge ist einerseits
optional und kann andererseits auch aus mehreren Schichten aufgebaut
sein. Die Nutzung dieser Schicht 2, im Folgenden auch als
Funktionsschicht bezeichnet, hängt von der beabsichtigten
Funktion der Struktur ab, die an der Topographie erzeugt wird. Die
Auswahl der Schichten 2, 3, 4 erfolgt
derart, dass diese Schichten unterschiedliche Ätzeigenschaften
aufweisen. Bei dem Beispiel der 2 muss sich
die zu strukturierende Schicht 3 selektiv zu den benachbarten Schichten 2 und 4 ätzen
lassen. Ist Schicht 2 nicht vorhanden, so muss sich die
zu strukturierende Schicht 3 selektiv zum Material der
Erhebung 1a und zum Material des Substrates 1 ätzen
lassen.
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Nach
dem Aufbringen der optionalen Funktionsschicht 2, der zu
strukturierenden Schicht 3 sowie der als Maskierungsschicht
dienenden oberen Schicht 4 wird am Apex der Ausgangsstruktur
ein Loch in der Maskierungsschicht 4 erzeugt, wie dies aus 3 ersichtlich
ist. Dies kann beispielsweise mittels eines fokussierten Ionenstrahls
oder durch eine Kombination aus Ionenstrahlabtrag und chemischem Ätzen
erfolgen. Die Öffnung wird genau so tief erzeugt, dass
sie nur die Maskierungsschicht 4 vollständig penetriert
und auf oder in der zu strukturierenden Schicht 3 endet.
Durch den Schichtauftrag der Schichtfolge mit definierter Schichtdicke,
wie dies beispielsweise mittels CVD möglich ist, ist die Schichtdicke
der Maskierungsschicht für die definierte Erzeugung der Öffnung
bekannt.
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Die
Maskierungsschicht 4 mit der eingebrachten Öffnung
dient nun als Ätzmaske für die Strukturierung
der zu strukturierenden Schicht 3. Die Strukturierung dieser
Schicht 3 kann beispielsweise sowohl nasschemisch als auch
trocken-chemisch erfolgen. Im Beispiel der 4 wird ein
nicht gerichtetes Ätzverfahren eingesetzt, so dass die
Maskierungsschicht 4 durch diesen Ätzschritt definiert
unterätzt wird.
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Nach
dem Abschluss des Ätzprozesses wird die Maskierungsschicht 4 entfernt,
die sich selektiv zur Schicht 2 oder zum Material der Topographie 1, 1a und
zur strukturierten Schicht 3 ätzen lässt.
Damit entsteht die fertige Struktur, wie sie in der 5a dargestellt
ist. Die Erhebung 1a ist hierbei mit einer Schichtfolge
aus zwei Schichten 2, 3 bedeckt, wobei die untere
Schicht 2 im Bereich der Spitze durch eine Strukturierung
der darüber liegenden Schicht 3 freigelegt ist.
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Diese
strukturierte Spitze kann bereits das Endprodukt sein oder auch
weiter bearbeitet werden, wie in den nachfolgenden 5b und 5c angedeutet
ist. 5b zeigt hierbei die Durchführung eines
weiteren Ätzschrittes, bei dem die untere Schicht 2 im
Bereich der Spitze der Erhebung 1a gedünnt wird,
wobei die darüber liegende Schicht 3 als Ätzmaske
dient. Hierbei müssen die Materialien der Schicht 3 und
der darunter liegenden Schicht 2 so gewählt sein,
dass sich diese selektiv zueinander ätzen lassen.
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Wie
in 5c dargestellt ist, lässt sich die untere
Schicht 2 bei einer derartigen Ausgestaltung im Bereich
der Spitze auch vollständig abätzen.
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5d zeigt
schließlich ein Beispiel, bei dem als Ausgangsschichtfolge
lediglich die Maskierungsschicht 4 und die darunter liegende
zu strukturierende Schicht 3 aufgebracht wurden. Die Schicht 2 der 2 wurde
hierbei weggelassen. Nach der Abfolge der Verfahrensschritte der 3 und 4 resultiert dann
eine Struktur, wie sie in 5d gezeigt
ist.
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6 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Durchführung
des vorliegenden Verfahrens. In diesem Beispiel wurden die in Verbindung
mit den 2 bis 4 erläuterten
Verfahrensschritte durchgeführt. Als unterste Schicht 2 wurde
hierbei eine metallische Schicht und als zu strukturierende Schicht 3 ein
Dielektrikum aufgebracht. Nach der Strukturierung wird eine weitere
metallische Schicht 5 auf der Struktur abgeschieden. Damit
entsteht ein lokaler, eng begrenzter elektrischer Kontakt 6 zweier
durch die dielektrische Schicht 3 getrennter Metalle am Apex
einer scharfen Spitze, die sich beispielsweise auf der Oberfläche
einer Probe positionieren lässt. An einem derartigen Kontakt 6 bildet
sich eine temperaturabhängige elektrische Spannung aus,
die so genannte Thermospannung, deren Änderung als Größe für
eine hochempfindliche Bestimmung der Temperatur an der Kontaktstelle 6 herangezogen
werden kann. Die Größe der Kontaktfläche 6 bestimmt
stark die minimal erreichbare laterale Auflösung der Sonde.
Da es mit dem vorgeschlagenen Verfahren möglich ist, an
einer derartigen Abtastspitze die Kontaktstelle 6 im Submikrometerbereich
kostengünstig und zuverlässig herzustellen, kann
damit eine Temperatursonde mit einer hohen lateralen Auflösung
kostengünstig realisiert werden.
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- 1
- Substrat
- 1a
- Erhebung
- 2
- unterste
Schicht
- 3
- zu
strukturierende Schicht
- 4
- Maskierungsschicht
- 5
- metallische
Schicht
- 6
- elektrischer
Kontakt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - T. Leinhos, „Mikromechanische
Herstellung thermischer Nahfeldsensoren auf der Basis von Schottky-Dioden",
Dissertation an der Universität-Gesamthochschule Kassel,
2001, Seiten 52–58 [0002]
- - C. Lehrer, „Effekte bei der Nanostrukturierung mittels
fokussierter Innenstrahlen", Shaker Verlag Aachen, 2005, Seiten
35–68 [0004]