DE4342314C2 - Verfahren zur Erzeugung von Strukturen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von tiefen Strukturen in einer Probe, insbesondere sollen Mikrometer, Nanometer- und Subnanometer-Strukturen in einer Festkörperoberfläche hergestellt werden.

Zum Herstellen feiner Strukturen werden die optische Lithographie und die Elektronenstrahllithographie eingesetzt. Bei der optischen und bei Elek­ tronenstrahllithographie muß die Probe beschichtet und maskiert werden. Der Strukturübertrag in die Probe findet dann in mehreren chemischen und physikalischen Prozeßschritten statt. Hierbei ist eine Schädigung des Pro­ benmaterials nicht immer auszuschließen. Minimale Strukturabmessungen lie­ gen bei der Elektronenstrahllithographie zur Zeit in der Größenordnung von 20 nm.

Ein anderes Verfahren zur Erzeugung von Strukturen ist beschrieben in DE 36 31 383 A1. Hierbei handelt es sich um ein mikromechanisches Verfahren, bei dem mit einer Spitze in eine Maskenschicht die gewünschten Maskenöff­ nungen mechanisch eingekratzt werden.

Mit dem Rastertunnelmikroskop (RTM) wurden bereits Strukturen im Nanome­ terbereich erzeugt. Dies erfolgte durch Bearbeiten einer zusätzlich aufge­ brachten Oberflächenschicht, die anschließend als Maske für einen Struk­ turübertrag mittels Ätztechnik in die Probe dient, vgl. EP 0 397 073 A2. Diese Maske kann auch zum ortsselektiven Bedampfen mit einem weiteren Ma­ terial dienen, vgl. EP 0 397 073 A2 und J. Vac. Sci. Technol. B9 (2), Mar./Apr. 1991, p. 1384. In einer MOCVD-Atmosphäre (MOCVD = Metal Organic Chemical Vapour Deposition) kann mit dem RTM auch eine leiterbahnförmige Struktur auf die Probenoberfläche deponiert werden, siehe ebenfalls EP 0 397 073 A2. Ebenfalls mit dem RTM können kleinste Strukturen auf der Pro­ benoberfläche modifiziert werden, vgl. EP 0 519 269 A1 und EP 0 527 379 A1. Beispielsweise in dem in der letztgenannten Druckschrift beschriebenen Verfahren wird nur die oberste Atomlage deformiert, und zwar ohne Entfer­ nung von Probenmaterial.

In EP 0 376 045 A2 ist die veredelnde Nachbehandlung feiner Strukturen in Form von Abscheidung einzelner Atome bzw. Moleküle aus der Gasphase auf die Struktur und von gezieltem Bearbeiten einzelner Atome und Moleküle mit einer feinen Spitze beschrieben. Das Verschieben von Atomen auf einer Pro­ benoberfläche mit dem RTM wurde beschrieben in EP 0 427 443 A2. Die Bear­ beitung der Probe mit dem RTM betrifft bei den hier genannten Verfahren immer nur die obersten Atomlagen der Probe bzw. der Maskierungsschicht.

In dem üblichen Abbildungsmodus eines Rastertunnelmikroskops wird bei ei­ ner gewählten, konstanten Tunnelspannung zwischen Probe und Spitze die Probenoberfläche berührungsfrei rasterartig abgetastet. Hierbei wird ent­ weder die Spitzenhöhe konstant gehalten und der zwischen Probe und Spitze fließende Tunnelstrom zur Oberflächenabbildung verwendet, oder der Tunnel­ strom, und damit der Abstand zwischen Spitze und Probe, wird über einen Regelkreis konstant gehalten, wobei die Stellgröße der Regelung zur Ober­ flächenabbildung verwendet wird. Im Abbildungsmodus werden die Tunnelpara­ meter, in wesentlichen die Tunnelspannung U, der Tunnelstrom I, der Ab­ stand zwischen Probe und Spitze und die Rastergeschwindigkeit, so gewählt, daß die Probe durch die Messung nicht nachhaltig beeinflußt wird.

Aus DE-Z: W. König, K. Waßenhofen "Bahnerosion als Alternative" in: Indu­ strieanzeiger 90/1991, S. 22-24 ist es bekannt, Strukturen in einer Probe zu erzeugen, wobei Strukturen mit ortsselektiver Solltiefe mittels Funken­ erosion eingebracht werden. Dabei werden eine Elektrode und eine Probe lateral und transversal gegeneinander bewegt. Im Grundsatz ist es auch be­ kannt, Halbleiterbauelemente mittels Funkenerosion herzustellen, wobei oh­ ne Maskierungstechnik und nachfolgendem Strukturübertrag in einem Prozeß­ schritt Strukturen mit minimalen Strukturabmessungen direkt in eine Probe eingebracht werden; es wird hierzu verwiesen auf DE-Z: U. Boor: "Funkene­ rosives Abtragen: Verfahren und Dielektrika", in: VDI-Z 133 (1991) Nr. 2 - Februar, S. 68-71; US-Z: R. Elwood: "PRODUCTION MICROMACHINING OF SUPER HARD MATERIALS", in EDM-Digest März/April 1992, Heft 2, S. 6E-IOE; DE 26 33 942 A1; EP 0 483 867 A2; und DE 37 04 733 A1. Ein Einsatz der Funken­ erosion im Ultrahochvakuum ist nicht möglich. Das gilt auch für das in dem US-Buch: Research Disclosure: "Data Storage System" (in Research Disclosu­ re September 1987, Nummer 281) beschriebene Verfahren, das es ermöglichen soll, mittels der Spitze eines Rastertunnelmikroskops funkenerosiv Infor­ mationen auf die Oberfläche einer Datenträgerbeschichtung zu schreiben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein im Ultrahochvakuum eingesetztes Verfahren eingangs genannter Art zu schaffen, welches es erlaubt, ohne Maskierungstechnik und nachfolgendem Strukturübertrag in einem Pro­ zeßschritt tiefe Strukturen, mit minimalen Strukturabmessungen im Subnano­ meterbereich, direkt in eine Probe einzubringen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Verbesserungen und weitere Ausgestaltungen der Erfindung werden in den Un­ teransprüchen beschrieben.

Erfindungsgemäß werden eine vorzugsweise mit einer nadelförmigen Spitze ausgestattete Sonde und die zu strukturierende Probe berührungsfrei gegen­ einander lateral sowie transversal bewegt und die zwischen Sonde und Pro­ be angelegten Strom-/Spannungsparameter bzw. der Abstand zwischen Sonde und Probe bzw. die Geschwindigkeit der Relativbewegung von Sonde und Probe moduliert. Durch diese Modulation können am Ort der Sonde gezielt Proben­ material abgetragen, tiefe Strukturen in die Probe eingebracht und für den Fall, daß die Probe aus einem beschichteten Substrat besteht, das Substrat teilweise freigelegt werden. Dieses Verfahren ist insbesondere mit einem entsprechend ausgelegten Rastertunnelmikroskop (RTM) automatisiert durch­ führbar.

Gemäß weiterer Erfindung können tiefe Strukturen in einer Probe dadurch hergestellt werden, daß - beispielsweise rasterartig, gegebenenfalls wiederholt - entweder die komplette zu struktu­ rierende Probenfläche bearbeitet wird, oder nacheinander einzelne, beliebige geformte Bereiche der zu strukturierenden Probenfläche bearbeitet werden oder nacheinander einzelne Bereiche minimaler aufzulösender Größe jeweils bis zu der gewünschten Tiefe bearbeitet werden oder die Sonde auf eine feste Tiefe eingestellt und seitlich bewegt wird, während an der Seite der Sonden­ spitze der Abtrag stattfindet oder die Bearbeitungsvarianten kombiniert werden, so daß insgesamt innerhalb der erreichbaren Auflösung für jeden Ort der Probe eine frei zu wählende Ablationstiefe erreicht wird.

Anhand von Anwendungsbeispielen werden weitere Einzelheiten der Erfindung erläutert.

In einer besonderen Ausgestaltung wird das erfindungsgemäße Verfahren mit einem Raster­ tunnelmikroskop (RTM) durchgeführt, dessen Tunnelspitze als lokale Sonde fungiert (Abb. 1).

Dabei werden die Sonde (10) und die zu strukturierende Probe (11) berührungsfrei gegeneinan­ der lateral (12) und transversal (13) bewegt und die zwischen Sonde und Probe angelegten Strom- (14)/Spannungsparameter (15) bzw. der Abstand zwischen Sonde und Probe bzw. die Geschwindigkeit der Relativbewegung von Sonde und Probe moduliert. Je nach Abstand und Spannung zwischen Sonde und Probe ist der Strom (14) ein Tunnel- oder ein Feldemissions­ strom. Das RTM erlaubt es, die Oberfläche vor, nach und insbesondere während der Struk­ turierung abzubilden, so daß eine interaktive oder automatische Kontrolle und Dokumentation des Strukturiervorgangs möglich ist.

Ein weiterer Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß während der Abbil­ dung der Probenoberfläche die Tunnelparameter, im folgenden auch Ablationsparameter genannt, so moduliert werden, daß am Ort der Spitze selektiv Probenmaterial abgetragen wird und eine Strukturierung der Probe erfolgt. Diese Modulation kann erfolgen, indem man jedem auflösbaren Punkt des zu strukturierenden Probenbereichs einen Ablationsparametersatz, der die Ablationsstärke bestimmt, zuordnet.

Während der Strukturierung kann an jedem Punkt ein Vergleich zwischen erreichter Abla­ tionstiefe und gewünschter Solltiefe erfolgen, so daß bei Erreichen der Solltiefe an einem Punkt der Ablationsparametersatz dieses Punkts so verändert werden kann, daß dort keine weitere Ablation mehr erfolgt. Diese ortsspezifische Solltiefe wird einer Strukturiervorlage entnommen, die z. B. in Form eines Bitmaps (digitalisiertes Bild), einer Vektorgraphik oder eines zu berech­ nenden Funktionensatzes vorliegt. Die Strukturiervorlage kann ein beliebiges digitalisiertes Bild sein, z. B. ein Photo, eine REM-Aufnahme, ein Text und insbesondere eine RTM-Aufhahme. Dies eröffnet die Möglichkeit, Oberflächenstrukturen nachzubehandeln (Abb. 2), indem zunächst ein Abbild (17) der Oberflächenstruktur (16) aufgenommen wird, dieses dann bildverarbeitenden Schritten unterworfen wird (18) und als Strukturiervorlage für eine Nachbehandlung der aufge­ nommenen Oberflächenstruktur dient (19). Entsprechend ist es so möglich, Oberflächenstruk­ turen, gegebenenfalls umskaliert, auf eine neue Oberfläche zu kopieren.

Das Einbringen der Struktur in die Probe kann auf unterschiedliche Weise erfolgen.

• i) Ein Verfahren ist, daß die komplette zu strukturierende Probenfläche, gegebenenfalls wiederholt, bearbeitet wird (Abb. 3a, Probe im Querschnitt abgebildet). Dabei wird die Sonde zum Beispiel rasterartig relativ zur Probe bewegt (21) und gleichzeitig werden die Ablations­ parameter moduliert. Gemäß der Modulation der Ablationsparameter wird auf der gesamten zu strukturierenden Probenfläche ortsselektiv Probenmaterial abgetragen (22). Ist nach einmaliger Bearbeitung der gesamten zu strukturierenden Probenfläche die ortsspezifische Solltiefe noch nicht überall erreicht, so wird dieser Vorgang wiederholt (23).
• ii) Ein weiteres Verfahren ist, daß nacheinander einzelne, beliebig geformte Bereiche der zu strukturierenden Probenfläche nach i) bearbeitet werden. In Abb. 3b wird zuerst der Bereich 30 bis auf seine gewünschte Solltiefe abgetragen. Dann bewegt man die Sonde in den Bereich 31 und bearbeitet diesen bis zur gewünschten Solltiefe. Nach Bearbeitung des letzten Bereichs 32 ist die Strukturierung abgeschlossen.
• iii) Ein weiteres Verfahren ist, daß nacheinander einzelne Bereiche minimal aufzulösender Größe bis zur Solltiefe bearbeitet werden (Abb. 3c). Bei diesem Verfahren verharrt die Sonde lateral über einem dieser Bereiche und senkt sich bei fortschreitender Ablation ab, bis die Solltiefe erreicht ist (40). Danach wird der ′nächste Bereich bearbeitet (41). Nach Bearbeitung des letzten Bereichs 42 ist die Strukturierung abgeschlossen.
• iv) Ein weiteres Verfahren ist, daß an einem Ort Material der Probe abgetragen wird, bis die Sonde eine bestimmte Tiefe erreicht hat, die nicht notwendigerweise die Solltiefe ist, und dann die Sonde in dieser Tiefe seitlich bewegt wird, so daß die Ablation nicht unter, sondern seitlich von der Sonde stattfindet (Abb. 3d).
• v) Weitere Verfahren ergeben sich durch sinnvolle Kombinationen der Verfahren i) bis iv).

Jedes dieser Verfahren ermöglicht es, innerhalb der durch die Sonde und das Probenmaterial gegebenen Auflösung für jeden Ort der zu strukturierenden Probefläche eine frei wählbare Abla­ tionstiefe zu erreichen.

Ist der transversale Bewegungsbereich (13) der Sonde größer als die Dicke der Probe, so ist es möglich, die Ablation der Probe nach den oben genannten Verfahren so lange fortzuführen, bis die Probe stellenweise durchbohrt wird (Abb. 4). Damit kann die erzeugte Probenstruktur zum Beispiel als Maske, durch die Teilchen oder Wellen transmittieren können, dienen.

Proben, die aus Schichten unterschiedlichen Materials bestehen, können so strukturiert wer­ den, daß obere Schichten an bestimmten Orten vollständig abgetragen werden und so darunter­ liegende Schichten anderen Materials freigelegt werden (Abb. 5). So lassen sich zum Beispiel mechanische, optische, elektronische, oder quantenmechanische Bauelemente, Speicher und Sensoren, oder Kombinationen daraus, herstellen. Bei Strukturgrößen im Nanometer- und Subnanometerbereich können Einheiten zur Erzeugung lokalisierter Elektronen hergestellt werden. Besteht das Probenmaterial unter anderem aus Hochtemperatursupraleitern, so lassen sich unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens supraleitende Bauelemente und Sensoren wie zum Beispiel SQUID′s (Superconducting Quantum Interferrence Device), Ein-Elektron Tunnelkontakte, Supraleiter-Isolator-Supraleiter (S-I-S) Kontakte, Supraleiter-Normalleiter-Supraleiter (S-N-S) Kontakte, Josephson-Bauelemente, Bolometer, Schalter und Speicher­ elemente herstellen.

Ein Beispiel für die erfolgte Strukturierung eines Supraleiterfilms nach dem erfindungsge­ mäßen Verfahren ist die Erzeugung von rechteckigen Löchern in einem 50 nm dicken YBa₂Cu₃O₇-_x-Film auf einem isolierenden SrTiO₃-Substrat mit einem RTM. Als Sonde wurde eine gerissene Pt/Ir-Spitze verwendet, die Strukturierung erfolgte an Luft bei Raumtemperatur.

In Abb. 6 (Bildgröße 600×600 nm²) ist ein 600 nm langes, 150 nm breites und 50 nm tiefes Loch, das bis auf das Substrat herunterreicht, dargestellt. Die Ablation von Probenmaterial erfolgte bei einer Tunnelspannung von 1 V, einem Tunnelstrom von 10 nA, einer Rastergeschwindigkeit von 10 µm/s, der Abstand zwischen Probe und Sonde wurde entsprechend geregelt. Bis zum Errei­ chen der Solltiefe wurde das abzutragende Gebiet 300mal abgerastert. Die ablationsfreie Auf­ nahme der erzeugten Struktur erfolgte bei einer Tunnelspannung von 1,0 V, einem Tunnelstrom von 200 pA und einer Rastergeschwindigkeit von 0,5 µm/s. Ahnliche Strukturen wurden durch Erhöhung der Tunnelspannung und auch durch Verringerung der Geschwindigkeit der Relativ­ bewegung von Sonde und Probe erzeugt. Ebensolche Strukturen wurden in Bi₂Sr₂Ca₁Cu₂O_8+y-Einkristallen erzeugt.

Ein weiteres Anwendungsgebiet des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Erzeugung von ferngeordneten Probenstrukturen, die zum Beispiel als Beugungsgitter, entweder in Strahlungs­ transmission oder in Strahlungsreflexion, wirken, insbesondere in der Anwendung mit fein­ fokussierten Lasern oder Halbleiterlasern, oder als Linsen für Röntgenstrahlung, z. B. Fresnel­ linsen.

Ein weiteres Anwendungsgebiet des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Dickenbestimmung der Probe, oder einzelner Schichten der Probe mit einer Auflösung im atomaren Bereich (Abb. 7). Hierzu wird an einer Stelle Probenmaterial abgetragen, bis entweder eine tieferliegende Schicht anderen Materials erreicht wird (80, 81), oder die Probe durchbohrt ist (82). Die Mate­ rialgrenzen werden dabei zum Beispiel durch Beobachtung von Änderungen der Ablations­ parameter bestimmt.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur gezielten Erzeugung von Mikrometer-, Nanometer- und Subnanometer-Strukturen auf einer Festkörperoberfläche, bei dem eine Sonde und die zu strukturierende Probe gegeneinander lateral und transversal bewegt werden. Durch gezielte Modulation der zwischen Sonde und Probe angelegten Strom- /Spannungsparameter bzw. des Abstands zwischen Sonde und Probe wird erfindungsgemäß eine ortsselektive Ablation der Probe erzielt. Mit diesem Verfahren ist es ohne Maskierungstechnik und nachfolgenden Strukturüber­ trag möglich, in einem Prozeßschritt tiefe Strukturen in die Probe einzubringen und so ein gege­ benenfalls unter der Probe befindliches Substrat teilweise freizulegen, oder die Probe zu durch­ bohren. Vor, nach und insbesondere während der Strukturierung kann die Probenoberfläche mit der gleichen Sonde abgebildet werden, so daß eine interaktive oder automatische Kontrolle und Dokumentation der Strukturierung möglich ist. Mit diesem Verfahren kann man vorhandene Oberflächenstrukturen nachbehandeln und kopieren. Anwendungsbeispiel ist die Erzeugung, Nachbehandlung und das Kopieren von Nanometerstrukturen in Filmen auf isolierendem Substrat zur Herstellung von Leiterbahnen, Bauelementen und Sensoren. Dieses Verfahren ist insbeson­ dere mit einem entsprechend ausgelegten Rastertunnelmikroskop automatisiert durchführbar.

Claims (13)

1. Verfahren zur Erzeugung von tiefen Strukturen in einer Probe, dadurch gekennzeichnet, daß die tiefen Strukturen mit dem Tunnelstrom eines Rastertunnelmikros­ kops durch Ablation von Probenmaterial mit ortsselektiver Tiefe in die Probe eingebracht werden, und zwar durch gezielte Modulation der zwischen der Tunnel spitze und der zu strukturierenden Probe angelegten Tunnelspan­ nung und/oder des fließenden Tunnelstroms und/oder des Abstands von Tun­ nelspitze und Probe und/oder durch Variation der Geschwindigkeit der Re­ lativbewegung von Tunnelspitze und Probe.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß daß während der Strukturierung an jedem minimal aufzulösenden Punkt ein Vergleich zwischen erreichter Ablationstiefe und gewünschter Solltie­ fe erfolgt, so daß eine Abbruchbedingung des Strukturiervorgangs für je­ den Punkt zur Verfügung steht, wobei die ortsspezifische Solltiefe einer Strukturiervorlage entnommen wird.

3. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß daß eine Strukturiervorlage in Form eines Bitmaps, insbesondere als digitalisiertes Bild eines Photos, einer REM-Aufnahme (REM=Rasterelektro­ nenmikroskop), eines Textes bzw. einer RTM-Aufnahme (RTM=Rastertunnelmi­ kroskop) oder in Form einer Vektorgraphik oder in Form eines zu berech­ nenden Funktionensatzes eingesetzt wird.

4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Oberflächenstrukturbildes als Strukturiervorlage die Strukturiervorlage bildverarbeitenden Schritten unterworfen und dann dazu verwendet wird, die gleiche Oberfläche nachzubehandeln, oder - gege­ benenfalls umskaliert - auf eine neue Oberfläche zu kopieren.

5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablation an einem oder mehreren Probenorten bis hin zum Durchboh­ ren der Probe erfolgt.

6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine aus verschiedenen, schichtartig angeordneten Materialien beste­ hende Probe so bearbeitet wird, daß die Strukturierung der oberen Schicht oder Schichten zur teilweisen Freilegung der jeweils darunter befindli­ chen Schicht oder Schichten führt.

7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Strukturierung der Probe elektronische, quantenmechanische, optische, röntgenoptische oder mechanische Bauelemente mit Strukturgrößen im Submikrometerbereich oder Kombinationen daraus, hergestellt werden.

8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Probenmaterial unter anderem Hochtemperatursupraleiter eingesetzt werden, so daß durch die Strukturierung der Probe supraleitende Bauele­ mente und/oder Sensoren mit Strukturgrößen im Submikrometerbereich wie z. B. SQUIDs, Ein-Elektron Tunnelkontakte, S-I-S Kontakte, S-N-S Kontakte, Josephson-Bauelemente, Bolometer, Schalter und Speicher hergestellt wer­ den.

9. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Probenstruktur mit Einheiten zur Erzeugung lokalisierter Elek­ tronen, z. B. für Speicher und Sensoren, hergestellt wird.

10. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturierung zur Datenspeicherung verwendet wird.

11. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Probenstruktur mit Strukturgrößen im Submikrometerbereich mit einer Fernordnung, die z. B. als Beugungsgitter, entweder in Strahlungs­ transmission oder in Strahlungsreflexion, insbesondere in der Anwendung mit feinfokussierten Lasern, Halbleiterlasern, oder als Linsen für die Röntgenstrahlung, z. B. Fresnellinsen, erzeugt wird.

12. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet daß die erzeugte Probenstruktur eine Maske mit Strukturgrößen im Submi­ krometerbereich in Form von Löchern oder Vertiefungen, durch die Teilchen und/oder Wellen transmittieren können, bildet.

13. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch die Verwendung zur Dickenbestimmung der Probe, oder einzelner Schichten der Probe mit bis zu atomarer Auflösung.