DE19651029C2 - Kalibrierstandard für Profilometer und Herstellverfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Kalibrierstandards, die vorzugsweise zur Kalibrierung von Profilometern und in Kraftmikroskopen (atomic force microscopes und scanning probe microscopes) eingesetzt werden, und auf ein Verfahren zur Herstellung solcher Kalibrierstandards.

Für Profilometer und Kraftmikroskope sind Stufenhöhenstandards im Einsatz, die üblicherweise aus einem Zwei-Schicht-System bestehen. Die bekannten Stufenhöhenkalibrierstandards bestehen aus einer Stufe aus Siliziumdioxid auf Silizium oder aus einer Stufe aus Metall auf Glas.

Beim Einsatz solcher Stufenhöhenkalibrierstandards in z. B. mechanischen Profilometern wird die Oberfläche mit einer Diamantspitze abgerastert. Die Auflagekraft liegt hierbei im Bereich von 10^-3 bis 10^-5 pond. Die Diamantspitze hinterläßt in allen Oberflächen mehr oder weniger feine bzw. feinste Kratzer. Besteht nun die Stufe eines Stufenhöhenkalibrierstandards aus verschiedenen Materialien, so hinterläßt die Diamantnadel in den verschiedenen Materialien unterschiedlich tiefe Kratzer. In Abhängigkeit von der zur Eichung des Kalibrierstandards gewählten Eichmethode kann dies zu Meßfehlern von einigen zig Nanometern führen.

Wird ein solcher Stufenhöhenkalibrierstandard in Kraftmikroskopen eingesetzt, so können aufgrund der verschiedenen für den Standard verwendeten Materialien ebenfalls Meßfehler entstehen. So sind z. B. die Oberflächen von Siliziumdioxid und Silizium hydrophil bzw. hydrophob und diese Eigenschaft kann bei der Wechselwirkung zwischen der Spitze des Kraftmikroskops und der jeweiligen Oberfläche des Kalibrierstandards ebenfalls zu Meßfehlern im Bereich einiger Nanometer führen.

Die bekannten Stufenhöhenstandards bestehen zudem aus nur einer Stufe und können somit nicht gleichzeitig als Linearitätsstandard für die Eichung der z-Achse von Profilometern verwendet werden.

In U.S. Patent 5,278,028 ist ein Verfahren zur Herstellung von binären Fresnellinsen mit mehrfach diskreter Phase beschrieben. Die Fresnellinsen sind als Zwei-Schicht-System ausgebildet mit einer mehrstufigen Struktur aus ätzbarem Material auf einem glatten, durch Ätzen nicht angreifbaren Substrat. Die mehrstufige Struktur wird in Anwendung der bekannten Halbleiterherstellverfahren gefertigt, wobei zur Ausbildung jeder einzelnen Stufe jeweils ein Photolithographieschritt mit einer Photomaske durchgeführt wird. Dies erfordert einen Justageprozeß, damit die aufeinanderfolgenden Maskenmuster mit der notwendigen Präzision und unter Einhaltung der zugelassenen Toleranz in das ätzbare Material übertragen werden können.

Aus FR-A-2 703 448 ist ein Kalibrierstandard für Profilmeter bekannt, der mehrere, mikromechanisch ausgebildete Stufen gleicher Stufenhöhe h aufweist und aus genau einem (polymeren) Material besteht.

EP-A-0 623 805 beschreibt ein Verfahren zur Ausbildung mehrerer nebeneinanderliegender Stufen bei einem Kalibrierstandard.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen Kalibrierstandard bereitzustellen, der die genannten Meßfehler nicht zeigt und der kostengünstig zu fertigen ist.

Dieses Problem wird durch den erfindungsgemäßen Kalibrierstandard des Anspruch 1 sowie durch das Verfahren zu dessen Herstellung nach Anspruch 7 gelöst.

Der erfindungsgemäße einstufige Kalibrierstandard ist aus nur einem Material gefertigt. Die Spitze eines Profilometers oder eines Kraftmikroskops wechselwirkt im gesamten Oberflächenbereich und im Bereich der Stufe des Kalibrierstandards mit demselben Material. Dies erhöht die Meßgenauigkeit erheblich und vereinfacht das Herstellverfahren, da außer einer maskierenden Schicht keine weitere Schicht auf dem den Kalibrierstandard bildenden Substrat aufzubringen ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargelegt.

Besonders vorteilhaft ist es, einen Kalibrierstandard mit einem Mehrfachstufensystem bestehend aus mehreren Stufen gleicher Stufenhöhe bereitzustellen. Ein derartiger Kalibrierstandard kann zusätzlich als Linearitätsstandard für die Eichung der z-Achse von Profilometern verwendet werden.

Die Erfindung wird nun ausführlich mittels eines Ausführungsbeispiels beschrieben unter Bezugnahme auf die Abbildungen, die im einzelnen folgendes darstellen:

Fig. 1c) zeigt in schematischer Querschnittsdarstellung den erfindungsgemäßen Kalibrierstandard und

Fig. 1a)-1c) die zu seiner Herstellung notwendigen wichtigsten Verfahrensschritte

Fig. 2 ist ein schematischer Querschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform des Kalibrierstandards und

Fig. 3a)-3g) zeigen die zur Herstellung der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform erforderlichen Verfahrensschritte.

Fig. 4 ist ein schematischer Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform des Kalibrierstandards.

Der in Fig. 1c) dargestellte Kalibrierstandard hat eine oder mehrere einfache Stufen mit definierter Stufenhöhe H. Die Einfachstufen sind in dem Material des Kalibierstandards ausgebildet. Bestens geeignet ist einkristallines Material, da die Stufen mit mikromechanischen Methoden hergestellt werden. Insbesondere Silizium ist hierfür besonders gut geeignet.

Je nach Anwendungsbereich des Kalibrierstandards kann die Stufenhöhe H im Bereich von einigen wenigen Nanometern bis hin zu einigen Mikrometern liegen. Die Stufenbreite wird ebenfalls in diesem Bereich liegen.

Fig. 1a) zeigt ein Trägersubstrat 1 aus einkristallinem Material, auf das eine maskierende Schicht 2 aufgebracht wurde, die bereits eine mit den Methoden der Mikrofabrikation erzeugte Öffnung 3 einer definierten Breite aufweist.

Unter Beibehalten der definierten Breite wird die Öffnung in das Trägersubstrat übertragen bis zu einer definierten Tiefe H, wie dies in Fig. 1b) dargestellt ist.

Zur Übertragung der Maskenstruktur in das Trägersubstrat sind daher extrem gleichförmige und hochselektive Ätzprozesse erforderlich. Geeignet sind z. B. alkalisches kristallabhängiges Ätzen oder isotropes Ätzen in gepuffertem Ammoniumfluorid. Insbesondere das isotrope Ätzen in gepuffertem Ammoniumfluorid erlaubt es, aufgrund der extrem geringen Ätzrate, Stufen mit Stufenhöhen H im Nanometerbereich mit äußerster Präzision zu erzeugen.

Zur Ausbildung der Stufe kann auch ein Oxidationsschritt sinnvoll sein, bei dem die von der Maskenöffnung 3 definierte freie Oberfläche des Substrats 1 oxidiert und das gebildete Oxid anschließend entfernt wird.

In Abhängigkeit von der Wahl des Ätzprozesses ist für die maskierende Schicht 2 das geeignete Material auszuwählen. Hierbei kommen Materialien wie Fotolack, Siliziumdioxid, Siliziumnitrid oder Metalle in Frage.

Mit extrem gleichförmigen und hochselektiven Ätzprozessen lassen sich über den nutzbaren Bereich des Kalibrierstandards von einigen mm² Gleichförmigkeiten in der Stufenhöhe H von kleiner als 5‰ erzielen.

Nach dem Erzeugen der Stufe im Trägersubstrat wird die maskierende Schicht entfernt.

Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des Kalibrierstandards mit einem Mehrfachstufensystem. Dieses Mehrfachstufensystem im Trägersubstrat 1 wird gebildet aus mehreren Stufen gleicher Stufenhöhe H. Die Stufen können die gleiche oder auch unterschiedliche Breiten aufweisen.

Die wesentlichen Herstellschritte für den Kalibrierstandard mit dem Mehrfachstufensystem sind in Fig. 3a) bis 3g) dargestellt.

In Fig. 3a) ist das Trägersubstrat 1, belegt mit einer maskierenden Schicht 2 ausreichender Dicke und mit einer Öffnung 3 definierter Breite B1, zu sehen.

Mit den gleichen Methoden wie bei der Herstellung des Einfachstufenstandards bereits beschrieben wird die Öffnung unter Beibehalten der definierten Breite B1 in das Trägersubstrat 1 übertragen bis zu einer definierten Tiefe H, wie dies in Fig. 3b) dargestellt ist.

Für das Übertragen der Maskenöffnung in das Substrat sollte idealerweise ein sehr hochselektiver Prozeß gewählt werden, damit die maskierende Schicht 2 während dieses Prozeßschritts nichts oder möglichst wenig von ihrer ursprünglichen Schichtdicke verliert.

Im Anschluß daran wird die Öffnung in der maskierenden Schicht verbreitert auf eine Breite B2, sodaß angrenzend an die bereits freie Oberfläche des Trägersubstrats im Bereich der Maskenöffnung ein weiteres Stück der Substratoberfläche freigelegt wird, Fig. 3c). Zur Verbreiterung der Maskenöffnung eignet sich das isotrope Schrumpfen der Maske, bei dem allerdings auch die Maskendicke abnimmt.

In Fig. 3d) ist die breitere zweite Öffnung unter Beibehalten ihrer Breite B2 bis zu der definierten Tiefe H in das Trägersubstrat übertragen worden und simultan wurde erneut die erste Öffnung unter Beibehalten ihrer definierten ersten Breite B1 bis zu der definierten Tiefe H in das Trägersubstrat übertragen. Somit ist in Fig. 3d) ein Mehrfachstufensystem mit zwei Stufen gleicher Stufenhöhe H entstanden.

Die Verfahrensschritte Verbreitern der Öffnung in der maskierenden Schicht und Übertragen dieser verbreiterten Öffnung in das Trägersubstrat können nun so oft wiederholt werden, bis in dem Mehrfachstufensystem die gewünschte Anzahl von Stufen gleicher Stufenhöhe ausgebildet ist. In Fig. 3e) bis 3g) sind beispielhaft Mehrfachstufensysteme mit drei, vier und fünf Stufen dargestellt.

Die während der mehrfachen Verbreiterung der Maskenöffnung in ihrer Dicke ständig geschrumpfte Restmaskenschicht wird nach dem letzten Übertragungsschritt entfernt und es entsteht der in Fig. 2 gezeigte Kalibrierstandard mit einem Mehrstufensystem.

Wie aus der in den Fig. 3a) bis 3g) dargestellten Prozeßfolge ersichtlich, wird für die Herstellung einer Vielzahl von Stufen in dem mehrstufigen System nur eine einzige, einmal auf das Trägersubstrat aufgebrachte Maskierungsschicht benötigt. Dieses Verfahren ist somit wesentlich weniger aufwendig und kostengünstiger im Vergleich zu Verfahren, die für die Erstellung jeder Stufe jeweils einen eigenen Photolithographieschritt erfordern.

Ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens ergibt sich unmittelbar aus der Verwendung nur einer einzigen Maskierungsschicht, da hiermit gewährleistet ist, daß die in das Trägersubstrat zu übertragenden Öffnungen sich selbstjustierend zueinander ausbilden und aufwendige Justageschritte nicht erforderlich sind.

Zu beachten ist allerdings, daß die maximal mögliche Maskendicke für die Breite der Stufen begrenzend ist.

Die in Fig. 4 dargestellte Ausführungsform läßt sich leicht herstellen, indem das nach den in Fig. 3a) bis 3g) gezeigten Prozeßschritten im Trägersubstrat erzeugte Mehrstufensystem mit einem geeigneten Material gefüllt und das Trägersubstrat entfernt wird.

Solche Kalibrierstandards mit Mehrstufensystem eignen sich wegen der exakt gleichen Stufenhöhe H aller ihrer Stufen hervorragend als Linearitätsstandard. Die möglicherweise unterschiedliche Breite der Stufen kann durch Variationen beim Verbreiterungsprozeß entstehen, ist aber ohne Bedeutung für die Meßgenauigkeit der Linearitätsstandards.

Falls neben der Gleichmäßigkeit der Stufenhöhe auch noch deren absolute Höhe genau bekannt ist, so können diese Kalibrierstandards als kombinierte Standards für die Linearität und den z-Hub, z. B. eines Profilometers, verwendet werden.

Nach Bedarf können die verschiedenen Ausführungsformen der Kalibrierstandards gleichmäßig mit einem weiteren Material beschichtet werden. Für den Einsatz des Kalibrierstandards z. B. in einem Rastertunnelmikroskop wäre eine leitfähige Schicht wünschenswert, z. B. aus Metall oder Graphit. Für den Einsatz des Kalibrierstandards in einem Profilometer mit Diamantnadel wäre hingegen z. B. eine diamantartige Kohlenstoffschicht vorzuziehen, die ein günstiges tribologisches Verhalten zeigt und die Lebensdauer des Standards verlängert.

Bei der Beschichtung ist darauf zu achten, daß die Schichtdickenverteilung über die gesamte nutzbare Oberfläche der Kalibrierstandards konstant ist.

Claims (12)

1. Kalibrierstandard für Profilometer mit einem Mehrfachstufensystem gebildet aus mehreren treppenförmig angeordneten Stufen gleicher Stufenhöhe H, wobei die Stufen mikromechanisch in dem aus genau einem Material bestehenden Kalibrierstandard (1) ausgebildet sind und wobei das Material für den Kalibrierstandard einkristallines Material ist.

2. Kalibrierstandard nach Anspruch 1, wobei das einkristalline Material Silizium ist.

3. Kalibrierstandard für Profilometer nach Anspruch 1 wobei alle Stufen die gleiche Breite aufweisen.

4. Kalibrierstandard für Profilometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3 wobei der Kalibrierstandard gleichmäßig beschichtet ist.

5. Kalibrierstandard für Profilometer nach Anspruch 4 wobei das Material für die gleichmäßige Beschichtung elektrisch leitfähige Schichten, z. B. Metall oder Graphit, und Schichten mit tribologisch günstigen Eigenschaften, z. B. diamantartigen Kohlenstoff, umfaßt.

6. Kalibrierstandard für Profilometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5 wobei die Stufenhöhe H im Bereich von einigen Nanometern bis einigen Mikrometern liegt.

7. Verfahren zur Herstellung eines Kalibrierstandards, das die folgenden Schritte umfaßt:

• a) Bereitstellen eines Trägersubstrats (1) aus einem kristallinen Material
• b) Aufbringen einer maskierenden Schicht (2) auf das Trägersubstrat (1)
• c) Ausbilden einer ersten Öffnung (3) definierter erster Breite B1 in der maskierenden Schicht (2)
• d) Übertragen dieser ersten Öffnung (3) unter Beibehalten der definierten ersten Breite B1 bis zu einer definierten Tiefe H in das Trägersubstrat (1)
• e) Verbreitern der ersten Öffnung in der maskierenden Schicht (2)
• f) Übertragen der verbreiterten zweiten Öffnung unter Beibehalten der zweiten Breite B2 bis zu der definierten Tiefe H in das Trägersubstrat (1) und simultan erneutes Übertragen der ersten Öffnung unter Beibehalten der definierten ersten Breite B1 bis zu der definierten Tiefe H in das Trägersubstrat (1)
• g) Wiederholen der Schritte e) und f) so oft, bis die gewünschte Anzahl von Öffnungen unterschiedlicher Breite B und definierter Tiefe H in das Trägersubstrat (1) übertragen ist.
• h) Entfernen der maskierenden Schicht (2).

8. Verfahren zur Herstellung des Kalibrierstandards nach Anspruch 7 wobei das Material des Trägersubstrats (1) einkristallines Silizium ist und das Material für die maskierende Schicht (2) Fotolack, Siliziumdioxid, Siliziumnitrid und Metalle umfaßt.

9. Verfahren zur Herstellung des Kalibrierstandards nach Anspruch 7 oder 8 wobei Schritt d) und Schritt f) durch extrem gleichförmiges und hochselektives Ätzen, wie z. B. alkalisches kristallabhängiges Ätzen oder isotropes Ätzen in gepuffertem Ammoniumfluorid, ausgeführt werden.

10. Verfahren zur Herstellung des Kalibrierstandards nach einem der Ansprüche 6 bis 9 wobei Schritt e) durch isotropes Schrumpfen ausgeführt wird.

11. Verfahren zur Herstellung des Kalibrierstandards nach einem der Ansprüche 6 bis 9 wobei nach Schritt h) zusätzlich folgender Schritt ausgeführt wird:

• a) gleichmäßiges Beschichten des nach den Schritten a) bis h) hergestellten Kalibrierstandards.

12. Verwendung des Kalibrierstandards nach einem der Ansprüche 1 bis 6 als kombinierten Standard für die Bestimmung der Linearität und des Hubes eines Profilometers in der z-Richtung.