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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Apertur in
einem Halbleitermaterial, wie zum Beispiel (100)-orientiertes oder polykristallines Silizium.
Derartige Aperturen, deren Größe im Mikrometerbereich
oder darunter liegen, werden beispielsweise als Bestandteil von
Sonden der optischen Raster-Nahfeld-Mikroskope (SNOM) eingesetzt.
Mit dieser Technik können
optische Oberflächeneigenschaften
mit Subwellenlängen-Auflösung untersucht
werden. Wie bei allen Raster-Sonden-Mikroskopen wird die erzielbare
Auflösung
auch beim optischen Raster-Nahfeld-Mikroskop durch die Geometrie
und Abmessung der Sonde, das heißt insbesondere der Apertur,
sowie deren Abstand zur Probenoberfläche limitiert. Um Subwellenlängen-Auflösung zu
erreichen, ist es erforderlich, daß der lichtemittierende oder
detektierende Bereich der Sonde laterale Abmessungen unter 100 nm
aufweisen. Im Stand der Technik hat es nicht an Versuchen gefehlt, derartig
kleindimensionierte Aperturen im 100 nm-Bereich beziehungsweise
darunter reproduzierbar herzustellen. Ein aus dem Stand der Technik
bekanntes Verfahren ist in 6 schematisch
dargestellt. In 6a ist der Querschnitt
durch einen Halbleiterwafer 14 wiedergegeben, der eine
Oberfläche 16 und
eine Unterfläche 18 aufweist.
In der Oberfläche 16 sind
eine Mehrzahl von Vertiefungen 20, beispielsweise in Form
einer inversen Pyramide 30, durch bevorzugt anisotropes Ätzen eingebracht.
Anschließend
wird die Unterfläche 18 des
Halbleiterwafers 14, der beispielsweise aus (100)-orientiertem
Silizium besteht, durch insbesondere anisotropes Ätzen rückgeätzt, bis
die Spitzen der inversen Pyramiden freigelegt sind und somit eine
Apertur 10 entsteht, wie dies in 6b,
erste und zweite Darstellung, schematisch dargestellt ist. Die erste
Apertur weist eine zu große Öffnungsweite
auf, die zweite Apertur besitzt eine ideale Öffnungsweite, während für das dritte
Beispiel die Spitze der inversen Pyramide überhaupt noch nicht geöffnet ist.
Dies ist darauf zurückzuführen, dass
die Dicke des Halbleiterwafers stark variiert. Bereits Dickenschwankungen
von einigen 10 nm können
zu den in 6 dargestellten Schwankungen
des Durchmessers beziehungsweise Querschnitts der Apertur führen. Dieses
Beispiel nach dem Stand der Technik verdeutlicht, dass aufgrund
der Schwankungen der Dicke des Halbkeiterwafers 14 nur
sehr wenige Spitzen der inversen Pyramiden geeignete Aperturgrößen besitzen.
Außerdem
streuen die Abmessungen dieser Apertur sehr stark.
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Weiterhin
haben aus dem Stand der Technik bekannte Untersuchungen zum Oxidationsverhalten von
Silizium (Markus et al., Journal of Electrochemical Society, Solid
State Science and Technology, pp 1278–1282, 1982 bzw. Kao et al.,
IEEE Transactions on Electronic Devices, Volume 34, No. 5, pp 1008, 1987
sowie Volume 35, No. 1, pp 25–37,
1988) eine starke Abhängigkeit
von der Orientierung in der Ebene des Halbleiterwafers von der Temperatur
und der Struktur der Oberfläche
ergeben. Es konnte nachgewiesen werden, dass bei niedrigen Oxidationstemperaturen
von etwa 800° C
bis 900° C
die Oxidschichtdicke an konvexen und konkaven Kanten der strukturierten
Oberfläche,
zum Beispiel bei Trenchzellen, gegenüber der Oxidschichtdicke auf
der Oberfläche reduziert
ist. Diese Erkenntnis wurde bereits dazu benutzt, sehr scharfe Siliziumspitzen
herzustellen (Marcus et al, Applied Physics Letters, 54 (3), pp 236–238, 1990).
Dabei konnten Krümmungsradien im
Bereich von etwa 1 nm erreicht werden. Ein ähnliches Verfahren zur Herstellung
von sehr scharfen Siliziumspitzen für die in der Rastersondenmikroskopieverwendete
sogenannte Cantileversonden ist in der EP-A-0468071 beschrieben.
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Aus
der
DE 43 10 604 A1 ist
ein Verfahren zur Herstellung eines Feldemissions-Kathodenaufbaus bekannt
geworden, bei der ein Substrat durch Ätzung und unter Freilegung
einer thermisch oxidierten Schicht entfernt wird. Eine definierte Öffnung wird bei
dem Verfahren gemäß der
DE 43 10 604 A1 nicht offenbart.
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Ausgehend
von einem Verfahren zur Herstellung einer Apertur in einem Halbleitermaterial
mit den Schritten Bereitstellen eines Halbleiterwafers, beispielsweise
eines (100)-orientierten Siliziumwafers, mit einer Oberfläche und
einer Unterfläche
und Erzeugen einer Vertiefung in der Oberfläche des Halbleiterwafers durch
partielles, anisotropes Anätzen
der Oberfläche
unter Ausbildung orientierter Seitenwände der Vertiefung, liegt der
vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung
einer Apertur zu schaffen, deren Größe unterhalb von ca. 1 Mikrometer,
insbesondere bei ca. 100 nm liegt, wobei die Größe der Apertur reproduzierbar
einstellbar ist.
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Diese
Aufgabe wird bei dem Verfahren mit den eingangs erwähnten Merkmalen
dadurch gelöst, dass
die Vertiefung einen der Unterfläche
zugewandten, geschlossenen Bodenbereich mit wenigstens einer konvexen
oder konkaven Ecke oder Kante, welche wenigstens zwei Seitenwände mit
unterschiedlicher Orientierung trennt, aufweist, eine Oxidschicht auf
das Halbleitermaterial wenigstens im Bereich der Vertiefung durch
Oxidation des Halbleitermaterials aufgebracht wird, wobei die Oxidschicht
wenigstens im Bodenbereich eine Inhomogenität im Bereich der konvexen oder
konkave Ecke oder Kante aufweist, das Halbleitermaterial an der
Unterfläche
des Halbleiterwafers bis zum Freilegen wenigstens der im Bodenbereich
befindlichen Oxidschicht selektiv rückgeätzt wird und die freigelegte
Oxidschicht bis wenigstens zu deren Durchtrennung angeätzt wird.
Das Anätzen
der freigelegten Oxidschicht erfolgt im Bereich der Inhomogenität der Oxidschicht,
so dass eine Apertur in der Oxidschicht gebildet wird, deren Größe im Wesentlichen
durch die Lage der Inhomogenitäten
bestimmt wird.
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Das
Verfahren weist den besonderen Vorteil auf, dass die Messung der
Größe der Apertur
unabhängig
von Schichtdickenvariationen des Halbleiterwafers ist. Dies hat
zur Folge, dass die herzustellenden Aperturen äußerst reproduzierbar zu fertigen sind
und demzufolge beispielsweise beim Einsatz bei Sonden in der optischen
Rasternahfeldmikroskopie neue Anwendungsgebiete und Auflösungen erschließen können.
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Zur
Herstellung von Aperturen in halbleitenden Materialien, zum Beispiel
in (100)-orientiertem einkristallinem
Silizium oder polykristallinem Silizium, werden eine Reihe von Verfahrensschritten
angewandt. Zunächst
werden insbesondere pyramidale oder sonstige Vertiefungen geformt,
die in der Tiefe spitz zulaufen und in das Halbleitermaterial eingeätzt werden.
Dazu sind Maskierungsschichten auf der Oberfläche des Halbleiterwafers aufgebracht.
Durch optische oder Elektronenstrahl-Lithographie und anschließende, chemische,
elektrochemische oder Plasmaätzverfahren
werden die erforderlichen Strukturen in die Maskierungsschicht übertragen.
Die Ätzung
der Vertiefungen erfolgt durch naßchemische oder Plasmaätzverfahren.
Alternativ können
die Vertiefungen auch durch einen fokussierten Ionenstrahl erzeugt
werden. In einem weiteren Schritt wird das Halbleitermaterial oxidiert,
wobei die entstehende Oxidschichtdicke variiert in Abhängigkeit
von der Kristallorientierung, der Oxidationstemperatur und der Krümmung der
jeweiligen, lokalen Struktur der Oberfläche des Halbleiterwafers. Bei
Wahl geeigneter Oxidationstemperaturen weist die Oxidschicht an den
Stellen größter Krümmung aufgrund
von Streßeffekten
eine erhöhte Ätzrate auf,
das heißt,
daß die Oxidschicht
beispielsweise für
den Fall einer spitz zulaufenden Vertiefung im Spitzenbereich eine
oder mehrere bezüglich
der Ätzprozesse "Schwachstellen" aufweist. In einem
weiteren Schritt wird die gegebenenfalls während des Oxidationsprozesses
auf der Unterfläche
des Halbleiterwafers entstandene Oxidschicht mit bekannten Techniken
entfern. Anschließend
wird durch naßchemisches Ätzen oder
Plasmaätzen
das Halbleitermaterial an der Unterfläche zurückgeätzt, bis schließlich die
Spitze der in der Vertiefung befindlichen Oxidschicht freigelegt
ist. Wichtig ist, daß hierbei
eine selektive Ätzmethode
angewendet wird, um auch eine Ätzung
der Oxidschicht völlig oder
jedenfalls weitestgehend zu vermeiden. Das Rückätzen des Halbleitermaterials
wird solange durchgeführt,
bis die eine oder sämtliche
Oxidschichten beispielsweise eines Arrays von Vertiefungen freigelegt
sind. Dabei kann es aufgrund von Dickeschwankungen des Halbleiterwafers
durchaus vorkommen, daß die
ggf. mehreren Spitzen der Oxidschicht mehr oder minder weit aus
der Unterfläche des
Halleiterwafers herausragen. Dies ist jedoch insoweit unproblematisch
für die
Bemessung der Größe der Apertur,
als die mehr oder minder weit herausragenden Spitzen der Oxidschicht
jedenfalls in Bezug auf die Dicke und Form der Oxidschicht untereinander
im wesentlichen die gleiche Form aufweisen und insbesondere im Bereich
der Spitze jeweils eine oder mehrere Schwachstellen besitzen. Anschließend wird
die Oxidschicht mit einer gegenüber
dem Material der Oxidschicht selektiven Ätze abgedünnt, bis an den „Schwachstellen" der Oxidschicht
die Oxidschicht durchbrochen wird und die gewünschten Aperturen in den Oxidstümpfen entstehen.
Sofern keine größeren Aperturen
erwünscht
sind, wird der Ätzprozess
anschließend
abgebrochen.
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Durch
dieses Verfahren werden somit miniaturisierte Aperturen wohldefinierter
Größe auf dem ganzem
Halbleiterwafer erzeugt. Wird der Ätzprozess jedoch weiter fortgesetzt,
wird auch der Stumpf der Oxidschicht weiter geätzt, so dass man Aperturen mit über die
Dauer des Ätzvorganges
einstellbarer Größe erhält.
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Des
weiteren besteht auch die Möglichkeit, die
erzeugten Vertiefungen im Bodenbereich mit einer Schneide beziehungsweise
einem Plateau zu versehen, so dass durch den beschriebenen Prozess auch
zwei beziehungsweise vier Öffnungen
pro Vertiefung in der Oxidschicht im Bereich deren Spitze erzeugt
werden können.
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Der
Reproduzierbarkeit des Verfahrens liegt die Erkenntnis zugrunde,
die speziellen Oxidationseigenschaften beispielsweise von (100)-orientierten
Siliziumwafern für
die Herstellung von reproduzierbaren Aperturen gleicher Größe über die
ganze Substratoberfläche
trotz schwankender Substratdicke auszunutzen. Dazu wird das die
Vertiefung tragende Substrat bei etwa 800° C bis 900° C oxidiert, so dass es zur
Ausbildung einer Oxidschichtdicke mit inhomogener Ätzrate und
auch Schichtdicke kommt. Das Oxid ist an den Stellen größter Krümmung am
dünnsten,
das heißt,
daß die
verdünnten
Oxidschichtabschnitte im Bereich der Spitze der Vertiefungen angeordnet
sind. Die Oxidschichten in den mehreren Vertiefungen werden durch
selektives Rückätzen des Halbleitermaterials
an der Unterfläche
des Halbleiterwafers freigelegt, wobei die Oxidschicht durch diesen Verfahrensschritt
nicht oder nur geringfügig
angegriffen wird. In dieser Phase des Herstellungsverfahrens weisen
alle durch die Oxidschicht abgeformten Vertiefungen exakt die gleiche
Oxidschichtstruktur auf. Insbesondere ist die Oxidschichtstruktur
unabhängig von
Dickenvariationen des Halbleitermaterials. Alle im wesentlichen
identischen, freigelegten Spitzen der Oxidschicht können in
einem anschließenden
Schritt mit einer selektiven Ätze
abgedünnt
beziehungsweise abgetragen werden, bis die Oxidschicht aller Spitzen
jeweils an der gleichen Stelle, nämlich der Schwachstelle der
Oxidschicht, durchbrochen wird und die Spitze der Oxidschicht abfällt. Hierdurch
werden in sämtlichen
Oxidstümpfen
Aperturen mit praktisch gleicher Größe über die ganz Oberfläche des Halbleiterwafers
erhalten.
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Nach
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen die Vertiefungen
die Form einer inversen Pyramide oder eines V-förmigen Grabens oder eines inversen
Pyramidenstumpfes oder eine Plateauform auf.
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Insbesondere
sind die Vertiefungen in einer Vielzahl, zum Beispiel in Form eines
Arrays, auf der Oberfläche
des Halbleiterwafers angeordnet.
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Von
besonderem Vorteil weist die Oxidschicht im Bodenbereich als Inhomogenität eine oder mehrere
Schwachstellen beziehungsweise Verjüngungen auf.
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Von
Vorteil wird die Oberfläche
der Oxidschicht nach dem Durchtrennen einem Metallisierungsprozeß, insbesondere
mit Aluminium, unterworfen. Hierdurch besteht die Möglichkeit,
die in der Oxidschicht bereits vorhandene Apertur gezielt zu verkleinern.
Eine Metallisierung sorgt auch für
eine Verbesserung der optischen Eigenschaften eines mit einer solchen
Apertur ausgestatteten Sensors.
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Der
Durchmesser der Apertur liegt von Vorteil in der Größenordnung
von ca. 100 nm oder weniger.
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Die
Vertiefungen werden nach einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung
des Verfahrens bevorzugt durch anisotropes Ätzen erzeugt.
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Die
Oxidschicht wird durch Erhitzen des Halbleiterwafers auf ca. 900° C, insbesondere
in feuchter Atmosphäre
und bevorzugt für
ca. 2 Stunden erzeugt.
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Das
selektive Rückätzen des
Halbleitermaterials erfolgt isotrop oder anisotrop zum Beispiel
mittels einer KOH-Lösung,
insbesondere ca. 40 Gew.%, bei bevorzugt ca. 60° C.
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Das
selektive Rückätzen des
Halbleitermaterials erfolgt bevorzugt solange, bis die Oxidschichten bevorzugt
im wesentlichen aller oder wenigstens einer Mehrzahl der Vertiefungen
des Halbleiterwafers freigelegt sind.
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Das
Anätzen
der freigelegten Oxidschicht wird bevorzugt mit Ammoniumfluoridpuffer,
insbesondere 1 Puffer : 16 Wasser, durchgeführt.
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Die
Größe der Apertur
wird im wesentlichen durch die Dauer das Anätzens der Oxidschicht nach deren
Durchtrennung hin zu größeren Werten
variiert.
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Nach
einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung sind die Vertiefungen
schneidenförmig
beziehungsweise plateauförmig
zulaufend ausgebildet, wobei je Vertiefung zwei beziehungsweise
vier Aperturen hergestellt werden.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
kann eine Apertur in einem Halbleitermaterial hergestellt werden,
wobei die Apertur durch eine auf einer Innenwandung einer Durchbrechung
im Halbleitermaterial befindlichen Oxidschicht gebildet ist.
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Dabei
kann auf die Oxidschicht eine Halbleiterschicht und/oder eine organische
Materialschicht und/oder eine Metallschicht, insbesondere eine Aluminiumschicht,
aufgebracht werden.
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Dabei
kann die Oxidschicht aus einem Oxid des Halbleitermaterials gebildet
sein.
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Die
Apertur kann in dem vorderen Bereich eines einseitig eingespannten
Biegebalkens, insbesondere eines sogenannten Cantilevers, integriert sein.
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Dabei
besteht eine mögliche
Verwendung darin, dass der Biegebalken einzeln oder eine Mehrzahl
von Biegebalken in einer Matrixanordnung als Sensorelement eingesetzt
sind.
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Nach
einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung werden der oder die Biegebalken
als Sensorelemente in der Rastersondenmikroskopie eingesetzt.
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Dabei
hat es sich als vorteilhaft erwiesen, daß durch Deposition einer dünnen, optisch
wenig transparenten Schicht der oder die Biegebalken für die simultane
Rasterkraftmikroskopie (AFM, SFM) oder die optische Rasternahfeldmikroskopie
(SNOM) eingesetzt werden, wobei bei einer Beleuchtung der Apertur
von der Oberfläche
des Halbleiterwafers die Apertur als miniaturisierte Lichtquelle
im optischen Nahfeldbereich eingesetzt (sogenannter Illuminationmode)
oder durch die Apertur selbst Lichtleistung von der beleuchteten
Probe aufgenommen wird (sogenannter Collectionmode).
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Durch
sequentielle Deposition von Materialien, wie Metall, Halbleiter,
Polymere auf Vorder- und/oder Rückseite
des Biegebalkens wird eine miniaturisierte Kontaktstelle der Materialien
an der Stelle der Apertur erhalten.
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Eine
weitere Verwendung besteht darin, daß eine matrixförmige Anordnung
der Aperturen beispielsweise in Form eines Arrays auf planen Substraten
beziehungsweise strukturierten Oberflächen (zum Beispiel Cantilevern)
zur Größensortierung
von Partikeln nach Art eines Siebes eingesetzt wird.
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Eine
weitere Verwendung zeichnet sich dadurch aus, daß eine insbesondere matrixförmige Anordnung
einer oder mehrere Aperturen auf planen Substraten oder auf strukturierten
Oberflächen
(zum Beispiel Cantilevern) für
die Dosierung und/oder Injektion von exakten, sehr kleinen Flüssigkeits- oder Gasmengen eingesetzt
wird.
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Weitere
Merkmale, Vorteile, Anwendungsmöglichkeiten
und Ziele der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
anhand der Zeichnungen. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder
bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den
Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von
ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
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Es
zeigen:
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1 einen
Querschnitt durch eine anisotrop geätzte Grabenstruktur mit aufgebrachter
Oxidschicht,
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2 in
vergrößertem Maßstab einen
Querschnitt durch die oxidierte Grabenstruktur der 1, nachdem
das Oxid um 75 nm angeätzt
wurde,
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3 eine
schematische Darstellung zweier Spitzen der Oxidschicht nach der Ätzung, wobei
der angenommene Dickenunterschied des Halbleiterwafers gemäß 3a, b zu freien Oxidspitzen führt, die unterschiedlich
weit aus dem verbleibenden Halbleitermaterial herausragen, aber
eine gleichgroße
Apertur von ca. 150 nm aufweisen und 3c eine
Verkleinerung der Apertur durch einen folgenden Metallisierungsprozeß in schematischer
Darstellung,
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4 REM-Aufnahmen
oxidierter, inverser Pyramidenarrays, bei denen sämtliche
Verfahrensschritte durchgeführt
wurden. In 4a ragen die Oxidspitzen
ca. 4 Mikrometer aus dem verbleibenden Halbleitermaterial heraus,
während
in 4b die Spitzen um ca. 6 Mikrometer
aufgrund des längeren Ätzens des
Halbleitermaterials herausstehen. Hierdurch wurde ein Dickenunterschied
des Halbleiterwafers quasi simuliert. Die 4c und 4d sind vergrößerte Darstellungen der äußersten
Spitze einer inversen Pyramide des darüberliegenden Arrays gemäß 4a, b. Die Aperturen weisen Durchmesser von
ca. 160 nm auf und sind weitestgehend identisch,
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5 gibt
eine schematische Darstellung der einzelnen Prozeßschritte
für die
Apertursensorherstellung wieder und
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6 ist
eine schematische Darstellung der Aperturerzeugung nach dem bekannten
Stand der Technik.
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Das
Verfahren gemäß 6 nach
dem Stand der Technik zur Erzeugung von Aperturen 10 ist,
wie bereits in der Einleitung dargestellt, äußerst sensibel auf Dickeschwankungen
des Halbleiterwafers 14, die unabhängig von dem Herstellungsverfahren
die Größe der Aperturen 10 beeinflussen.
Diese Dickeschwankungen sind in 6a durch
die wellenförmige
Unterfläche 18 des
Halbleiterwafers 14 angedeutet. Nach dem anisotropen Ätzen der
Unterfläche 18 ist
die in 6b linke Pyramidenspitze der
inversen Pyramide 30 sehr weit zu einer Apertur 10 geöffnet, weil
der Halbleiterwafer 14 an dieser Stelle dünner ist
als in dem nachfolgenden mittleren Bereich. Dort ist die Dicke des
Halbleiterwafers 14 in der schematischen Darstellung der 6 gerade
so gewählt,
daß eine
ideal kleine Apertur 10 entsteht. Demgegenüber ist
die Dicke des Halbleiterwafers 14 im rechten Bereich der 6b so dick, daß der anisotrope Ätzvorgang
an der Unterfläche 18 überhaupt nicht
zu einer Apertur führt.
Dieses Beispiel eines Verfahrens nach dem Stand der Technik soll
erläutern,
daß Dickenvariationen
des Halbleiterwafers 14 unmittelbar und nicht kontrollierbar
in die herzustellende Größe der Apertur 10 eingehen.
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Die 1 und 2 zeigen
Querschnitte durch eine Grabenstruktur in einem (100)-orientierten,
bor-dotierten Siliziumwafer. Dazu wird der Siliziumwafer zunächst mit
einer wenige 100 nm dicken Oxidschicht versehen und anschließend lithographisch
strukturiert, bevor die Gräben
anisotrop geätzt werden.
Die gewünschte
Spitzenhöhe
des Apertursensors soll ca. 15 Mikrometer betragen, so daß die Basisbreite
der Gräben
von 8 Mikrometer bis 30 Mikrometer gewählt wird und die Tiefe der
Gräben
Werte zwischen 5 bis 6 Mikrometer und 21 Mikrometer annimmt. Nach
dem anisotropen Ätzschritt
wird das auf der Oberfläche
verbliebene Oxid mit verdünnter Flußsäure entfernt.
Vor dem eigentlichen Oxidationsprozeß wird eine optische Inspektion
des Siliziumwafers durchgeführt.
Kontaminierte Siliziumwafer werden einer Standard-RCA-Reinigung
unterzogen, die Auswirkung auf die Qualität der anschließend erzeugten
thermischen Oxide hat.
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Um
reproduzierbare Ergebnisse zu erhalten, wird die Reinigung immer
durch kurzes Eintauchen des Siliziumwafers in stark verdünnte Flußsäure (1 HF:50
H2O) und anschließendes gründliches Spülen mit vollentsalztem Wasser
(Widerstand: 15 MΩcm) beendet.
Der Siliziumwafer wird unmittelbar anschließend in den Oxidationsofen überführt und
bei ca. 900° C
in feuchter Atmosphäre
für ca.
2 Stunden oxidiert. Diese Vorgehensweise läßt die größten Streßeffekte und damit auch die
inhomogenste Oxidschichtdicke erwarten.
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Um
Aussagen bezüglich
der Oxidkonturen zu erhalten, wird der Siliziumwafer quer zu der
Grabenstruktur gebrochen und rasterelektronenmikroskopisch untersucht.
Zur Erhöhung
des Kontrastes zwischen Oxidschicht 26 und Halbleitermaterial 12, beispielsweise
Silizium, wird letzteres selektiv gegenüber der Oxidschicht 26 um
wenige Mikrometer zurückgeätzt. Erwartungsgemäß ist die
Oxidschicht auf der (111)-Wand am dicksten und zeigt Inhomogenitäten 28,
insbesondere Schwachstellen an den Ecken, an denen die Oxidschichtdicke
kleiner ist als auf der planaren (100)-orientierten Oberfläche. Die Oxidschicht 26 an
den konvexen Ecken ist in der Regel dicker als die Oxidschicht an
der konkaven Ecke an der Spitze der inversen Pyramide 30.
Die Inhomogenität 28 beziehungsweise
Verdünnung
liegt nicht direkt unterhalb der konkaven Ecke, sondern ist in zwei
Bereichen links und rechts der eigentlichen Spitze angesiedelt.
Auf dem Weg zur Herstellung der Apertur 10 wird die Oxidschicht
in der Grabenstruktur in einem folgenden Schritt isotrop um 75 nm
abgedünnt.
Anschließend
wird die Probe erneut gebrochen und das Halbleitermaterial 12 beziehungsweise Silizium
zur Kontrastverbesserung um wenige Mikrometer weggeätzt. In 2 ist
das Ergebnis im Anschluß an
diesen Ätzvorgang
dargestellt. Da der Ätzvorgang
isotrop durchgeführt
wird, erscheint der Bereich an der Spitze der Pyramide auf ca. 150
nm aufgeweitet, das heißt
ca. 75 nm in jede Richtung. Dabei sind die Inhomogenitäten 28 beziehungsweise Schwachstellen
noch deutlicher ausgeprägt
als vor dem Ätzvorgang
entsprechend 1.
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Diese
Profile der Oxidschicht 26 gemäß den 1 und 2 können zur
Herstellung einer Apertur 10 genutzt werden, wenn es gelingt,
die Bodenbereiche 24 beziehungsweise die Spitzen der inversen Pyramiden 30 der
Oxidschicht 26 freizulegen und diese dann vorsichtig isotrop
zu ätzen,
bis die Inhomogenitäten 28 beziehungsweise
die Schwachstellen der Oxidschicht 26 durchtrennt, jedoch
die Seitenwände 22 der
Pyramidenwände
noch erhalten sind. Um die pyramidenförmige Oxidschicht 26 freizulegen,
wird in einem nächsten
Schritt das Halbleitermaterial 12 zurückgeätzt. Das Ätzen wird dann abgebrochen,
wenn alle Spitzen der Oxidschicht 26 aus der verbleibenden
dünnen
Schicht Halbleitermaterials 12 herausragen. Da die Oxidätzrate in
KOH wesentlich kleiner ist als die Ätzrate in Silizium (Oxid: 0,06
Mikrometer/h, Silizium: 19,9 Mikrometer/h; 40 Gew.% KOH, 60° C), wird
die Oxidschicht 26 bei diesem Schritt durch das selektive Ätzen des
Halbleitermaterials 12 nicht oder nur geringfügig angegriffen. Für 20 Mikrometer
hohe Pyramiden, die vollständig freigeätzt werden,
wird die äußerste Spitze
der Oxidpyramide gegenüber
der Basis lediglich um ca. 60 nm abgedünnt, weil sie der Ätzflüssigkeit
KOH entsprechend länger
ausgesetzt ist. Für
Substratdickenschwankungen von 5 Mikrometer resultieren Oxiddickenschwankungen
einzelner Pyramiden von lediglich 50 nm, wenn die Oxidätzrate einer
40 Gew.% KOH bei 60° C
zugrundegelegt wird. Anschließend wird
in einem folgenden Schritt die Oxidpyramide vorsichtig isotrop um
wenige Nanometer geätzt,
so daß die
Inhomogenitäten 28 beziehungsweise
Schwachstellen oder Verjüngungen
der Oxidschicht 26 durchtrennt werden können, wodurch Aperturen 10 entstehen,
deren Abmessungen trotz Dickeschwankungen des Halbleiterwafers 14 äußerst reproduzierbar
einstellbar sind.
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In 3 ist
dieser Sachverhalt schematisch verdeutlicht. Aus der Geometrie der
Dicke der Oxidschicht 26 gemäß 2 ist zu
erkennen, daß sich geringe
Schwankungen der Oxidschichtdicke an der Spitze der inversen Pyramide 30 praktisch
nicht auf die entstehende Größe der Apertur 10 auswirken.
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Insbesondere
bei der Anwendung derartiger Aperturen 10 in optischen
Nahfeldsensoren ist in der Regel eine Metallisierung notwendig,
die in 3c als Metallschicht 36 bestehend
aus insbesondere Aluminium dargestellt ist. Diese Aufbringung der
Metallschicht kann zu einer weiteren Verringerung der Abmessungen
der Apertur 10 genutzt werden. Aus 3a und
b wird ersichtlich, daß unterschiedliche Dicken
des Halbleiterwafers 14 einen Einfluß auf den Durchmesser beziehungsweise
die Größe der Apertur 10 nicht
ausüben.
Dabei ist die Variation der Schichtdicke durch die seitlich des
Halbleitermaterials 12 angeordneten Pfeile verdeutlicht,
wobei trotz variierender Schichtdicke der Durchmesser der Apertur 10 unverändert ist.
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In 4 sind
REM-Aufnahmen oxidierter inverser Pyramiden-Arrays dargestellt, bei denen alle notwendigen
Schritte zur Erzeugung der Aperturen 10 durchgeführt sind.
Die Pyramiden-Arrays,
bei denen die Vertiefungen 20 in gleichmäßigen seitlichen Abständen positioniert
sind, werden wie beschrieben oxidiert, angeätzt und so freigelegt, daß Bodenbereiche 24 der
Oxidschicht 26 vorhanden sind, die aus dem verbleibenden
Halbleitermaterial 12 unterschiedlich weit – je nach
Dickenschwankung des Halbleitermaterials 12 beziehungsweise
des Halbleiterwafers 14 – herausstehen. Um die Aperturen 10 zu erzeugen,
werden die Oxidschichtpyramiden vorsichtig angeätzt, bis die Aperturen 10 aufgrund
eines Durchtrennens der Inhomogenitäten 28 beziehungsweise
der Schwachstellen der Oxidschicht 26 entstehen. In 4a stehen die Spitzen der Oxidschicht 26 ca.
4 Mikrometer aus der Unterfläche 18 heraus.
In 4b stehen die Spitzen ca. 6 Mikrometer
aus der Unterfläche 18 heraus,
was durch ein längeres Ätzen hervorgerufen
wurde. Durch diese Maßnahme
wird praktisch eine Dickenschwankung der Schicht des Halbleitermaterials 12 beziehungsweise
des Halbleiterwafers 14 simuliert. In den 4c,
d sind jeweils eine inverse Pyramide 30 des darüberliegenden
Arrays 4a, b vergrößert dargestellt, wobei durch
vorsichtiges Anätzen
der Oxidschicht 26 Aperturen 10 im Bereich von
160 nm erzeugt worden sind. Obwohl in diesem Beispiel durch unterschiedliche Ätzraten Dickenschwankungen
des Halbleiterwafers 14 von ca. 2 Mikrometer simuliert
worden sind, unterscheiden sich die Dimensionen der Aperturen 10 in
den Fällen 4a, c im Vergleich zu den Fällen 4b, d praktisch nicht. Somit ist auch experimentell
ein Nachweis darüber
geführt,
daß nach
dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellte Aperturen 10 bezüglich der Dimensionierung der
Aperturen 10 äußerst reproduzierbar
und insbesondere unabhängig von
Dickeschwankungen des Halbleiterwafers 14 herstellbar sind.
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In 5 sind
schematisch die einzelnen Verfahrensschritte zur Herstellung eines
Apertursensors dargestellt. In 5a ist
die Definition und das Resultat des Ätzvorganges der inversen Pyramide 30 wiedergegeben.
In 5b wird die Cantilever- beziehungsweise
Biegebalkenstruktur in den erneut oxidierten und vorbehandelten
Halbleiterwafer 14 übertragen.
Gemäß 5c ist die Umgebung des Biegebalkens beziehungsweise
Cantilevers abgesenkt und die verbliebene Oxidschicht 26 mit
Ausnahme des Bereichs der Vertiefung 20 entfernt. 5d zeigt eine Aufsicht auf den Halbleiterwafer 14,
gemäß 5e wird das Halteelement in der Oxidschicht
eines zweiten Halbleiterwafers 14 definiert. Mittels anisotropen Ätzens wird
gemäß 5f das in einem Rahmen fixierte Halteelement
erzeugt. 5g zeigt eine Aufsicht auf
den zweiten Halbleiterwafer. In 5h ist
in einer Schnittdarstellung dargestellt, wie beide Halbleiterwafer
gefügt
und mit einer Siliziumnitrid-Schicht versehen sind. 5i zeigt
die Trennung des Biegebalkens beziehungsweise Cantilevers von dem
Substrat mittels eines anisotropen Ätzschritts. Die Siliziumnitrid-Schicht
wird entfernt. Ein Metallisierungsprozeß mit Aluminium beendet den
Herstellungsprozeß.
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Die
entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren
herstellten Aperturen können
als Ausgangspunkt für
die Realisierung verschiedenartiger mikromechanischer Bauelemente
benutzt werden. Da die Öffnungsgröße gezielt
und reproduzierbar beispielsweise bei einem Array eingestellt werden
kann, ist zum Beispiel eine Anwendung zur Größentrennung von Partikeln in
einer siebförmigen
Anordnung einer Vielzahl von Aperturen 10 möglich. Ebenso können diese
Aperturen 10 zur Injektion kleinster Gas- oder Flüssigkeitsmengen
oder dergleichen in der Medizin, Biologie und Chemie eingesetzt
werden. Ein anderer wichtiger Anwendungsfall ist in der Sensorik
zu sehen.
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Werden
die Öffnungen
in die hohle Spitze von Biegebalkensonden (Cantilever) integriert,
so lassen sich diese als Ausgangselement für die Realisierung verschiedener
Sonden für
die Messung unterschiedlichster physikalischer und chemischer Parameter
in der Rastersondenmikroskopie benutzen. Cantileversonden sind einseitig
eingespannte Biegebalken mit einer am Ende des Balkens integrierten Spitze,
die über
eine zu untersuchende Probenoberfläche gerastert wird, um die
Topographie und zusätzliche
physikalische und/oder chemische Eigenschaften von Probenoberflächen in
verschiedenster Umgebung, zum Beispiel Luft, Vakuum, Flüssigkeiten,
zu untersuchen.
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Beispielsweise
kann eine miniaturisierte Öffnung
in einer hohlen Spitze für
die Untersuchung der optischen Oberflächeneigenschaften auf der Basis der
optischen Rasternahfeldmikroskopie (SNOM) benutzt werden. Dabei
kann die die Öffnung
beziehungsweise Apertur tragende Spitze in einem Cantilever integriert
oder als Element auf einer optischen Faser aufgeklebt sein. Zur
Verbesserung der optischen Eigenschaften können die spitzenförmigen Aperturen
mit dünnen
Metallspitzen verstärkt
werden. Die Vertiefungen mit den Öffnungen können zu dem gleichen Zweck
auch spalten- und zeilenweise in Biegebalken oder planen Substraten
angeordnet werden, um eine parallele Arbeitsweise, zum Beispiel für die parallele
Bildaufnahme oder die parallele Datenspeicherung mit Hilfe der SNOM
zu erreichen.
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Wird
eine mit einem Material von oben beschichtete Spitze von der Unterfläche 18 ebenfalls beschichtet,
so können
in dieser Weise kleinster Kontakte realisiert werden, die im wesentlichen
die Größe der Apertur 10 aufweisen.
Diese Art von Kontakten können
in vielfältiger
Weise für
in die Spitze integrierte Sensorelemente benutzt werden. Ein typisches
Beispiel ist ein Metall/Metall oder Metall/Halbleiterkontakt, der
als Thermoelement zur lokalen Temperaturmessung nutzbar ist.
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Wird
die Spitze der Oxidschicht 26 von der Unterfläche 18 mit
einer metallischen Schicht versehen, so kann in Abhängigkeit
von der Dicke der Metallschicht die Oxidöffnung nach oben verschlossen werden.
Im Bereich der Spitze bleibt jedoch ein miniaturisiertes Behältnis im
Bereich von Attolitern. Zur elektrischen Isolierung dieser Metallschicht
gegenüber
der Umgebung wird ein dünner
dielektrischer Film, zum Beispiel Siliziumnitrid oder Siliziumoxid, von
der Rückseite
des Biegebalkens aufgedampft. Der Sensor kann so in flüssiger Umgebung
betrieben und mittels der isolierten Metallschicht ein galvanischer
Strom gemessen werden, der nur an der vorderen metallischen Spitze
vorliegt. Diese Sonden können,
beispielsweise wiederum in Spitzen integriert, als Sonden für die elektrochemische
Untersuchung von Oberflächen
auf der Basis der Scanning Electrochemical Microscopy (SECM) eingesetzt
werden.
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Werden
Oxidstrukturen mit schneidenförmiger
Spitzenstruktur hergestellt, so lassen sich gegebenenfalls zwei Öffnungen
in die Spitze der Oxidschicht beziehungsweise den Bodenbereich 24 einätzen. Dabei
sind die beiden Aperturen 10 durch einen Oxidsteg voneinander
getrennt. Dieser miniaturisierte Steg kann mit einem weiteren Material,
zum Beispiel Metall, halbleitenden Materialien, organischen Materialien
oder dergleichen, beschichtet werden. So läßt sich in einfacher Weise
ein balkenförmiger,
miniaturisierter elektrischer Leiter herstellen. Diese Anordnung
kann zum Beispiel für
die thermische Rastersondenmikroskopie (SThM) ausgenutzt werden,
indem der von der Temperatur abhängige Widerstand
der Leiterbahn zur Messung der lokalen Probentemperatur eingesetzt
wird.
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Werden
Oxidstrukturen mit plateauförmiger Struktur
an der zulaufenden Seite des Stumpfes der Oxidschicht 26 hergestellt,
so lassen sich gegebenenfalls vier Öffnungen in die Spitze der
Oxidschicht 26 einätzen.
Die vier Öffnungen
sind dabei durch eine kreuzförmige
Oxidstruktur voneinander getrennt. Dieses miniaturisierte Kreuz
kann dann mit einem weiteren Material, zum Beispiel Metall, halbleitenden
Materialien, organischen Materialien oder dergleichen, beschichtet
werden und als miniaturisierte Hohlsonde zur Messung von Magnetfeldern verwendet
werden. Ebenso besteht die Möglichkeit, die
matrixförmige
Anordnung der Aperturen 10 auf planen Substraten oder der
Spitzen beziehungsweise Bodenbereichen 24 auf strukturierten
Oberflächen,
zum Beispiel Cantilevern, für
die Injektion von sehr kleinen, exakt dosierten Flüssigkeitsmengen
zu benutzen.
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Insgesamt
besteht der Vorteil der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren
entwickelt zu haben, welches es ermöglicht, an jeder Spitze beziehungsweise
an jedem Bodenbereich 24 der Oxidschicht 26, gezielt
die Größe der herzustellenden Apertur 10 zu
bestimmen. Dies wird dadurch bewerkstelligt, daß durch den Stress in der Oxidschicht 26 an
der Spitze, das heißt
im Bereich der größten Krümmung eine
lokal definierte, höhere Ätzrate realisierbar
ist. Somit kann durch die spezielle Wahl der Ätzzeit die geätzte Oxidschichtdicke
im Bereich der Spitze beziehungsweise des Bodenbereichs 24 bestimmt
werden, so daß Dickenschwankungen
der Halbleiterwafer 14 keinen Einfluß auf die Größe der Apertur 10 haben.
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- 10
- Apertur
- 12
- Halbleitermaterial
- 14
- Halbleiterwafer
- 16
- Oberfläche
- 18
- Unterfläche
- 20
- Vertiefung
- 22
- Seitenwand
- 24
- Bodenbereich
- 26
- Oxidschicht
- 28
- Inhomogenität
- 30
- inverse
Pyramide
- 32
- Array
- 34
- Innenwandung
- 36
- Metallschicht
- 38
- Biegebalken