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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 Ionenbeschuss 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 Ionenstrahlen”, Shaker Verlag Aachen, 2005, Seiten 35–68, beschrieben.
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Die
DE 197 55 990 C1 offenbart im Zusammenhang mit der Herstellung von Extraktionselektroden die Herstellung von Öffnungen mit Dimensionen bis hinab zu 1 μm an der Spitze einer mit einer Metallschicht bedeckten erhabenen Mesastruktur. Hierzu wird ein Lack derart auf eine die Mesastruktur tragende Oberfläche aufgebracht, dass die metallisierte Mesastruktur gerade mit dem Lack bedeckt ist. Durch eine zeitlich begrenzte Sauerstoff-Plasma-Behandlung bzw. Ionen- oder Elektronenstrahllithographie wird gerade die Spitze der Topographie von der Lackschicht befreit. In einem anschließenden Nass- oder Trockenätzprozess wird dann ein kleines Loch in der metallischen Schicht an der Spitze der Topographie erzeugt.
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Die
WO 02/053489 A2 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung mikrostrukturierter Bauelemente, bei der das reaktive Ionenätzen, zur Erzeugung von Submikrometerstrukturen eingesetzt wird.
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In
DE 10 2004 001 107 A1 wird ein Verfahren zur Erzeugung von Strukturen auf der Oberfläche eines Substrats offenbart, bei dem diese mit Hilfe einer Folie strukturiert wird. Für die Strukturierung der Folie wird bspw. die Strukturierung mit Hilfe eines Lasers, in einem Plasmaprozess oder durch Photolithographie/Ätzen angeführt.
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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 vollständig mit einer definierten Dicke der einzelnen Schichten bedeckt. 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 Ionenstrahl oder einem Laserstrahl, wird anschließend wenigstens eine Öffnung mit Submikrometerabmessungen an der zu strukturierenden Stelle so in die Maskierungsschicht eingebracht, dass sie die Maskierungsschicht vollständig penetriert und auf oder in der zu strukturierenden Schicht endet. 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 trocken-chemische 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 nass-chemisch 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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Bezugszeichenliste
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- 1
- Substrat
- 1a
- Erhebung
- 2
- unterste Schicht
- 3
- zu strukturierende Schicht
- 4
- Maskierungsschicht
- 5
- metallische Schicht
- 6
- elektrischer Kontakt