DE19622701A1

DE19622701A1 - Mikrobalken mit integrierter Abtast- bzw. Prüfspitze aus Diamant für den Einsatz in Rastersondenmikroskopen

Info

Publication number: DE19622701A1
Application number: DE19622701A
Authority: DE
Inventors: Kirsten Ingolf Schiffmann; Xin Dr Jiang; Holger Luethje
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1996-06-05
Filing date: 1996-06-05
Publication date: 1997-12-18

Description

Stand der Technik

Die Rastersondenmikroskopie und darunter speziell die Rasterkraftmikroskopie (Atomic Force Microscopy, AFM) ist ein Verfahren zur Abbildung und Prüfung von Oberflächen mittels einer hochfeinen Abtastspitze, die am Ende einer kleinen bieg samen Blattfeder (Cantilever) befestigt ist (siehe Abb. 1). Diese Spitze kann derart über die Oberfläche einer Probe bewegt werden, daß lokal die Oberflächentopo graphie oder andere Materialeigenschaften wie z. B. Reibwert, Elastizität, Härte, Verschleiß, elektrische Leitfähigkeit, etc. detektiert werden können. Daneben kann die Spitze auch zur mechanischen Strukturierung (Kratzen, Ritzen, Hämmern, etc.) von Oberflächen auf der Mikro- und Nanometerskala eingesetzt werden. Kritischer Faktor hierbei ist die mechanische Festigkeit der Spitze. Bisher verwende te Spitzen aus Silicium oder Siliciumnitrid sind im allg. nicht hart bzw. verschleißfest genug um für Härte,- Verschleiß- oder Strukturierungsarbeiten an harten Oberflä chen eingesetzt werden zu können. - Bisherige Lösungsansätze bestehen in dem Aufkleben einzelner Diamantkristallite auf AFM-Cantilever (siehe z. B.: Bhushan, Ko inkar; Appl. Phys. Lett 64 (1994) 1653, bzw. Persch, Born, Utesch; Appl. Phys A 59 (1994) 29) bzw. im Überziehen konventioneller Spitze einschließlich Cantilevers mit einem dünnen Diamantfilm (Chu et al; Appl. Phys. Lett 63 (1993) 3446 und Germann, McClelland, Mitsuda, Buch, Seki; Rev. Sci. Instr. 63 (1992) 4053). Beides sind jedoch unbefriedigende Lösungen, da im ersten Fall eine Produktion größerer Mengen sol cher Spitzen (wegen Handarbeit) zu aufwendig ist und sich im letzteren Fall eine körnige Spitzengeometrie und schlechtere Diamantqualität (sehr kleiner Diamantkri stallite) nachteilig auswirken können.

Das neues Verfahren

Es wird deshalb vorgeschlagen einzelne Diamantkristallite von Mikrometerdimen sionen mit Hilfe eines Plasmadepositionsverfahrens (Chemical Vapour Deposition, CVD) direkt auf Siliziumcantilevern aufwachsen zu lassen.

Dafür können der sog. Hot-Filament-CVD-Prozeß bzw. der sog. Mikrowellen- Plasma-CVD-Prozeß eingesetzt werden, welche sowohl die Herstellung statistisch orientierter wie auch heteroepitaktischer (d. h. parallel zu Kristallstruktur des Substrates orientierter) Diamanten erlauben. Die so erzeugten Spitzen bestehen aus Diamantvollmaterial hoher kristalliner Qualität, haben einige Mikrometer Größe und sind fest mit der Unterlage (Cantilever) verwachsen. Die Geometrie der Abtast spitze läßt sich durch Wahl der Herstellungsparameter so optimieren das Krüm mungsradien von 10 nm bis 1000 nm realisierbar sind. Durch das Herstellungsverfah ren lassen sich eine größere Anzahlen von Spitzen in Form von Chips auf Siliziumwa fern herstellen, wodurch eine wirtschaftliche Produktion derartiger Spitzen ermög licht wird.

Claims

1. Abtast- und Prüfspitze bestehend aus einem Mikrobalken (Cantilever) mit einer Diamantspitze für den Einsatz in Abtastsystemen und Rastersondenmikroskopen, gekennzeichnet dadurch, daß Diamantspitze und Mikrobalken eine technologi sche Einheit derart bilden, daß die Diamantspitze als Ganzes unter Verwendung von Plasmadepositionsprozessen direkt auf dem Balken aufgewachsen ist.

2. Abtast-,und Prüfspitzen nach 1, wobei der Cantilever mit einer Diamantschicht bedeckt ist um seine mechanischen Eigenschaften zu modifizieren.

3. Abtast- und Prüfspitzen nach 1, wobei Diamantspitze und/oder Cantilever do tiert oder undotiert sein können um die elektrischen Eigenschaften zu modifizie ren. Die elektrische leitfähige Diamantsonde ermöglicht den Einsatz für die simul tane Rasterkraft- und Rastertunnelmikroskopie, sowie die simultane Abbildung von Topographie und elektrischen Oberflächeneigenschaften.

4. Abtast- und Prüfspitzen nach 1, wobei die Cantilever zusätzlich mit einer piezo resistiven Schicht bedeckt und geeignet strukturiert werden, wodurch es ermög licht wird die Verbiegung des Cantilevers und damit die Bewegung der Abtast spitze ohne externes Detektionssystem (z. B. Laserreflexion, Interferometrie, ka pazitiv, Tunnelstrom) durch abgreifen eines elektrischen Signals von der piezore sistiven Schicht zu Messen und zur Steuerung des Rasterkraftmikroskopes zu nut zen.

5. Herstellung des Systems "Diamantspitze und Cantilever" nach einem der beiden folgenden Verfahren:

5.1 additives Verfahren: Vorstrukturierung eines Silizium Substrates (z. B. durch thermische Oxidation aller übrigen Flächen) derart, daß nur an ausgewählten Stellen Diamant aufwächst (siehe Abb. 2). Im folgenden Diamantbeschichtungs prozeß wird die Keimbildung und der Wachstumsprozeß des Diamants so ge steuert, daß nur einzelne Kristallite aufwachsen und ausgewählte Kristallflächen die größte Wachstumsgeschwindigkeit besitzen. Auf diese Weise lassen sich z. B. pyramidenförmige einkristalline Diamantspitzen erzeugen.
5.2 subtraktives Verfahren: Vollflächigen Beschichtung eines Silizium-Substrates mit einem orientierten Diamantfilm gefolgt von der Herausarbeitung der Spitzen mit Hilfe eines lithographischen Mehrlagenprozesses (s. Abb. 3). Dazu wird die Diamantschicht zunächst mit einer z. B. metallischen Schicht bedeckt, auf die dann ein Photolack aufgebracht wird. Der Photolack wird strukturiert und die Strukturen durch einen Ätzprozeß in die Metallschicht übertragen. In einem zweiten reaktiven Ionenätzprozeß z. B. mit einem Sauerstoff/Argon-Plasma werden die Strukturen der Metallschicht in die Diamantschicht transfe riert,wobei sich durch die Richtungscharakteristik des Ätzprozesses in der Ätz maske schräge Kanten ausbilden, die beim Fortschreiten des Ätzprozesses in die Diamantschicht übertragen werden und schließlich zur Ausbildung von Spitzen.
5.3 Für beide Verfahren 1.1 und 1.2 geschieht die Herstellung der Cantilever mit Hil fe lithographischer Mikrostrukturierungstechniken in folgenden Schritten (s. Abb. 4):
- 5.3.1 Das Ätzen einer wenige Mikrometer dicken Membran aus Silizium, wobei die massiven Halterungsteile und dünnere Brücken zwischen den Chips stehen bleiben. Aus der Membran werden später die Cantilever gebildet. Die Dicke der Membran muß daher der Cantileverdicke entsprechen.
- 5.3.2 Auf der ungeätzten Waferseite werden sodann durch das additive oder sub traktive Verfahren die Diamantspitzen integriert.
- 5.3.3 Schließlich werden der Halterungsteil und der Cantilever des Chips durch Lacke abgedeckt und die restliche Silizium-Membran durch einen weiteren Ätzschritt entfernt, so daß der Chip freisteht und nur noch an den dünnen Brücken (Sollbruchstellen) gehalten wird.