DE68921471T2

DE68921471T2 - Integrierte massenspeicheranordnung.

Info

Publication number: DE68921471T2
Application number: DE68921471T
Authority: DE
Inventors: Thomas R. Stanford Ca 94305 Albrecht; Calvin F. Stanford Ca 94305 Quate; Mark J. Los Altos Hills Ca 94022 Zdeblick
Original assignee: Leland Stanford Junior University
Current assignee: Leland Stanford Junior University
Priority date: 1988-01-27
Filing date: 1989-01-27
Publication date: 1995-07-20
Anticipated expiration: 2009-01-28
Also published as: US5317533A; US4912822A; JPH03503586A; JPH03503463A; WO1989007258A2; US5017266A; US4906840A; JPH03504762A; EP0407460A1; AU3976089A; AU3530889A; WO1989007256A1; EP0404799B1; JP2752755B2; WO1989007259A3; JP3103885B2; EP0404799A1; EP0397799A1; US5248912A; WO1989007259A2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Raster- Tunnelmikroskope und dabei insbesondere aufintegrierte Raster-Tunnelmikroskope zur Verwendung in einer integrierten Speichervorrichtung.
Raster-Tunnelmikroskope wurden zuerst von einem Forscherteam bei IBM (Binning und Rohrer) erfunden. Das Grundprinzip eines Raster-Tunnelmikroskops besteht darin, eine scharfe leitfähige Spitze mit einer Spitzengröße in der Größenordnung von 1 Atomdurchmesser nahe an eine leitende Oberfläche heranzubringen. Wenn die Spitze sehr nahe an eine leitende Oberfläche gebracht wird, das heißt auf mehrere Atomdurchmesser Entfernung (ungefähr auf 5 Å), fließt ein Tunnelstrom zwischen der Spitze und der Oberfläche. Das heißt, daß sich die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion bei den Elektronen der Atome in der Spitze und die Wahrscheinlichkeits-Dichte-Funktion bei den Elektronen der Atome auf der Oberfläche im Raum überlappen. Folglich tritt ein Tunneleffekt auf, indem zwischen der Spitze und der Oberfläche ein Elektronenstrom fließt, wenn zwischen diesen beiden Leitern eine entsprechende Vorspannung angelegt wird.
Die Größe des Tunnelstroms ist exponentiell von der Entfernung zwischen der Spitze und der Oberfläche abhängig. Wenn die Entfernung zwischen der Spitze und der Oberfläche sich nur um 1 Å vergrößert, wird der Strom um einen Faktor 10 verringert. Typischerweise liefern 100 mV Vorspannung 1 nA Strom, wenn die Entfernung von der Spitze zum Objekt wenige Ångström beträgt.
Dieses Tunnelstromphänomen kann zur Erstellung eines Abbilds der Oberfläche verwendet werden. Dazu muß die Spitze sehr nahe an die Oberfläche herangebracht werden und in der Art einer Rasterabtastung über die Oberfläche bewegt werden, während die relative Entfernung zwischen der Spitze und der Oberfläche beibehalten werden muß. Die Spitze muß zum Verfolgen der Kontur der Oberfläche auf- und abbewegt werden, damit eine relativ konstante Entfernung zwischen dem höchsten Punkt der Oberfläche und der Spitze beibehalten werden kann. Diese Entfernung muß zum Erzielen der Überlappungsentfernung genau eingehalten werden, damit ein ununterbrochener Stromflud gewährleistet ist. Durch die Abtastbewegung der Spitze auf der Oberfläche kann ein Abbild der Oberflächenkontur erzeugt werden, indem die Bewegungen der Spitze verfolgt werden. Typischerweise wird das Verfolgen der Spitzenbewegung dadurch bewerkstelligt, dar die an einen piezoelektrischen Wandler angelegte Spannung, der die Spitze zum Beibehalten der gleichen Entfernung zwischen Spitze und Oberfläche nachführt, überwacht wird. Typischerweise überwacht die Vorrichtung, die die Spitzenentfernung regelt, den zwischen der Spitze und der Oberfläche fliegenden Strom und steuert ein mechanisches System zur Bewegung der Spitze in der Art, dar der zwischen der Spitze und der Oberfläche fliegende Strom auf einem vorbestimmten Wert stabilisiert wird. Veränderungen im Stromfluß haben so Veränderungen in der Entfernung zwischen der Spitze und der Oberfläche zur Folge, so dar den Veränderungen im Stromflud entgegengewirkt und der Strom auf einem vorbestimmten Wert stabilisiert wird. Die Veränderungen in den Antriebssignalen an den Spitzenbewegungsmechanismus verfolgen so Veränderungen in der Oberflächenkontur, da die Höhe der Spitze über der Oberfläche zur Beibehaltung eines gleichbleibenden Stroms nachgestellt wird.

Stand der Technik

Eine Sammlung von Aufsätzen über den Stand der Technik bei der Raster-Tunnelmikroskopie ist in IBM Jounal of Research and Development, Vol. 30, Nr. 4, S. 353-440, Juli 1986 erschienen. In dem Aufsatz mit der Überschrift "Scanning Tunneling Micoscopy" (Raster-Tunnelmikroskopie) von Binning und Rohrer auf S. 355-369 dieser Zeitschrift, ist in Fig. 2 ein Raster-Tunnelmikroskop abgebildet, bei dem eine dreiarmige piezoelektrische Anordnung verwendet wird. Diese Anordnung besteht aus 3 Stangen aus piezoelektrischem Material, die an einem Punkt miteinander verbunden sind. Jede Stange dehnt sich aus und zieht sich zusammen entlang einer der drei Kartesischen Koordinatenachsen. Die Spitze ist am Verbindungspunkt der drei Stangen angebracht. Die Spitze wird durch eine Grobeinstellvorrichtung in die Nähe der Oberfläche gebracht. Danach wird die dreiarmige piezoelektrischen Anordnung verwendet, um die Spitze zum Erzeugen eines Abbilds der Oberfläche in einer Abtastbewegung über diese Oberfläche zu führen. In der Sammlung von Aufsätzen in IBM Journal of Research and Development wird Raster-Tunnelmikroskopie gezeigt, die mit großformatigen Vorrichtungen durchgeführt werden kann.
In einer Referenz wird eine integrierte Form eines Raster-Tunnelmikroskops vorgestellt. Diese Referenz ist die europäische Patentveröffentlichung Nr. 0 194 323 Al, veröffentlicht am 17. September 1986, basierend auf der europäischen Patentanmeldung Nr. 85 102 554.4, die am 3. Juli 1985 eingereicht wurde. In dieser Patentanmeldung wird ein auf einem Halbleiterchip integriertes Raster-Tunnelmikroskop beschrieben, wobei in den Halbleiterchip Nuten eingeätzt sind, die einen Mittelstück-Ausleger (center portion cantilever) bilden. Die Nuten sind in rechtwinkliger Ausrichtung zueinander eingeätzt, damit das Mittelstück in Richtung der X- und Y-Achse beweglich ist, wobei es von den zwischen den durch die Nuten und ihre gegenüberliegenden Wände definierten Streifen erzeugten elektrostatischen Kräften gesteuert wird. Eine vorstehende Spitze ist auf dem Mittelstück ausgebildet, die durch elektrostatische Kräfte in Richtung der Z-Achse beweglich ist. Elektrostatische Kräfte sind zum Erzielen maximaler Genauigkeit bei der Spitzenbewegung nicht ideal. Außerdem wäre es schwierig, das integrierte STM (scanning tunneling microscope: Raster-Tunnelmikroskop), das in der oben angeführten europäischen Patentanmeldung angeführt ist, erfolgreich herzustellen.
Es ergibt sich daher die Notwendigkeit einer integrierten Version des Raster-Tunnelmikroskops unter Verwendung piezoelektrischer Mittel zur Bewegung der Spitze.
Fortschritte in der Anwendung elektronischer Technik haben es möglich gemacht, ein zweidimensionales optisches Bild in eine Abfolge elektrischer Signale umzuwandeln. Eine übliche Anwendung dieser Technik kommt in tragbaren Videokameras und -Abspielgeräten, oder Camcorders zur Anwendung, bei denen eine zweidimensionale CCD-Anordnung zum Abtasten eines optischen Bildes und zum Konvertieren dieses Bildes in ein zeitlich lineares Signal verwendet wird. Dann wird das Signal auf einem Magnetband gespeichert, das in dieser Form üblicherweise in Videorecordern verwendet wird. Das Bild wird dann mit dem Videorecorder auf einen Fernsehbildschirm übertragen. Dieses System ist trotz der bei der Reduzierung der Größe gemachten Fortschritte groß und unhandlich.
Die Anwendung der Raster-Tunnel-Mikroskop-Technik für die Datenspeicherung ist in der US-A-4 585 822 in allgemeiner Form beschrieben, es wird jedoch keine detaillierte Konstruktion eines Daten-Speichersystems oder seine Anwendungsweise angegeben.
In der EP-A-O 247 216 ist eine integrierte Speichereinrichtung beschrieben mit einem Speichermedium, das die folgenden Elemente aufweist: eine Aufzeichnungsoberfläche zum Speichern von Information an verschiedenen Stellen auf der Aufzeichnungsoberfläche; ein Substrat; einen Auslegerarm, der an einem Ende an einem Substrat befestigt ist und ein freies Ende mit einer daran befestigten Spitze hat; Steuereinrichtungen zum Steuern der Bewegung des Auslegers, um die Spitze an den verschiedenen Stellen in den Tunnel-Bereich der Aufzeichnungsoberfläche zu bringen; und Zugriffseinrichtungen zum Zugreifen auf die verschiedenen Stellen auf der Aufzeichnungsoberfläche, um die Information von dort zu lesen oder um Information dorthin zu schreiben. Diese Anordnung arbeitet, indem die Aufzeichnungsoberfläche gegenüber dem Substrat verdreht wird, auf dem ein Ausleger angebracht ist.
Die vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dar der Ausleger einen in der Richtung von drei Achsen beweglichen piezoelektrischen Bimorph-Ausleger aufweist mit zwei Schichten aus piezoelektrischen Materialien und Elektroden zum Erzielen der Drei-Achsen-Bewegung der Spitze; dar die Steuereinrichtung eine Einrichtung zum Anlegen von Spannungspotentialen an die Elektroden des Bimorph-Auslegers aufweist, so dar die Spitze über die Aufzeichnungsoberfläche geführt werden kann; und dar das Substrat und die Aufzeichnungsoberfläche starr miteinander verbunden sind.
In einer Ausführungsform des piezoelektrischen Wandlers wird eine Schicht Abstandsmaterial, die später wieder entfernt wird, auf die Oberfläche eines Substrates aus Silizium oder anderem Material aufgebracht. Danach wird eine leitfähige Schicht auf der Abstandsschicht gebildet und zur Bildung dreier getrennter Elektroden aufgeteilt. Dann wird eine piezoelektrische Schicht über den drei Elektroden und eine weitere leitfähige Schicht über der piezoelektrischen Schicht gebildet. Eine zweite piezoelektrische Schicht wird dann über dem mittleren Leiter gebildet. Schließlich wird eine dritte leitfähige Schicht über der zweiten piezoelektrischen Schicht gebildet und zur Bildung dreier getrennter Elektroden gemustert, deren Anordnung mit der der Elektroden in der untersten leitfähigen Schicht übereinstimmt. Dann wird eine scharfe leitfähige Spitze auf der mittleren Elektrode der obersten leitfähigen Schicht gebildet. Diese Spitze wird durch Aufdampfen eines leitfähigen Materials durch eine Schattenmaske hindurch gebildet. Beim Aufdampfen wird auf der oberen, mittleren Elektrode ein Kegel gebildet, dessen Durchmesser sich immer weiter verkleinert. Der sich immer weiter verkleinernde Durchmesser kommt dadurch zustande, dar das sich auf der Schattenmaske absetzende Material das Loch in der Schattenmaske über der Stelle, an der die Spitze gebildet wird, allmählich schließt.
Nach der Bildung der vorstehenden Struktur werden die Seiten des piezoelektrischen Materials zur Bildung des bimorphen Auslegers weggeätzt. Dieses Ätzen wird so durchgeführt, dar auf den Seiten genügend piezoelektrisches Material zum vollständigen Einschließen der Mittelelektrode übrigbleibt. Dieses Ätzen des piezoelektrischen Materials wird bewerkstelligt, indem zuerst eine Titan/Wolfram-Schicht gebildet wird, die zur Bildung einer Ätzmaske gemustert wird. Diese Materialschicht wird unter Verwendung herkömmlicher photolitographischer Techniken gemustert, um die Lage des Randes des piezoelektrischen Materials festzulegen. Nach dem Bilden der Metall-Ätzmaske wird das piezoelektrische Zinkoxidmaterial geätzt, wobei die Metallmaske als Führung dient. Bei der Verwendung anderer piezoelektrischer Materialien, die mit guter Auflösung geätzt werden können, kann dieser Schritt des Ablagerns und Bildens einer Metallätzmaske wegfallen. Zinkoxid ist ein nicht leicht mit hoher Auflösung ätzbares Material. Der Schritt des Bildens einer Metallätzmaske verbessert die beim Ätzen des Zinkoxidmaterials erzielte Auflösung beträchtlich. "Auflösung" wird hier verwendet für den Grad der Kontrolle über die Lage der Zinkoxidkante.
Nach dem Ätzen des piezoelektrischen Materials wird das unter der gesamten Struktur liegende Abstandsmaterial entfernt. Dieses Abstandsmaterial wird nur bis zu der Stelle entfernt, an der der Ausleger-Bimorph physisch an dem Substrat angebracht sein soll. Das Entfernen des Abstandsmaterials hat zur Folge, dar der bimorphe Ausleger sich von seinem Befestigungspunkt über das Substrat hinaus mit einem Abstand zwischen der Unterseite des Bimorphs und der oberen Oberfläche des Substrats erstreckt. Dadurch wird es möglich, dar sich der Bimorph senkrecht zur Oberfläche des Substrats durch den Effekt des piezoelektrischen Materials bewegt, was eine Bewegung der Spitze ermöglicht. Durch vier Elektrodenpaare und zwei Schichten Piezomaterial wird in dieser Ausführungsform Drei-Achsen-Beweglichkeit erreicht.
Zum Betreiben der eben beschriebenen Struktur, so dar die Spitze Raster-Abtastbewegungen beschreibt, werden an die vier Elektrodenpaare, die durch die Mittelschichtelektrode und die äußeren Elektroden der unteren und oberen Elektrodenschicht gebildet werden, verschiedene Spannungskombinationen angelegt. Durch entsprechendes Steuern der an die vier Elektrodenpaare angelegten Spannungen kann die Spitze entlang jeder der drei Achsen in einem Kartesischen Koordinatensystem bewegt werden.
In alternativen Ausführungsformen können zwei solche Bimorphstrukturen, die jeweils aus zwei Piezoschichten bestehen, jedoch nur je zwei wie zuvor beschrieben ausgebildete Elektrodenpaare aufweisen, hergestellt werden, die sich von ihren Befestigungspunkten über das Substrat erstecken, sich mit einem Winkel von 90º schneiden und am Schnittpunkt miteinander verbunden werden. Diese beiden Bimorphe können dann auf ähnliche Weise, wie oben für einen einzelnen Bimorph beschrieben, so gesteuert werden, dar der Schnittpunkt entlang den drei Achsen eines Kartesischen Koordinatensystems bewegt werden kann. In einer alternativen Ausführungsform können auf dem Ende des Bimorphs zwei leitfähige Spitzen gebildet werden, und die an die Elektroden angelegten Spannungen können so gesteuert werden, dar sich die Spitze des Bimorphs so dreht, dar jede Spitze eine unabhängige Bewegung entlang der Z-Achse aber synchrone Bewegung entlang der X- und Y-Achsen aufweist.
Eine alternative und bevorzugte Ausführungsform der Herstellungsmethode für die oben beschriebene bimorphe piezoelektrische Wandlerstruktur besteht darin, dar die Mehrlagenstruktur direkt auf einem Siliziumsubstrat gebildet wird, ohne Abstandsmaterial, wie oben beschrieben, sondern dadurch, dar der bimorphe Ausleger vom Substrat gelöst wird, indem von der Rückseite des Wafers bis zur Unterseite des bimorphen Auslegers durchgeätzt wird.
Eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines Raster-Tunnelmikroskop kann unter Verwendung eines beliebigen der hier beschriebenen Verfahren hergestellt werden, indem eine bimorphe Stuktur zur Bewegung einer Spitze gebildet wird und die Spitze dann z.B. dadurch nahe genug an eine leitfähige abzutastende Oberfläche herangebracht wird, dar an das Substrat, auf dem der Bimorph integriert ist, ein weiterer, die abzutastende Oberfläche enthaltender Wafer angebracht wird. Entsprechende bekannte Steuerschaltungen können dann zum Erfassen des Tunnelstroms und zum Steuern der an die Elektroden des Bimorphs angelegten Spannungen auf einem der beiden Substrate integriert werden, wenn dieses aus Halbleitermaterial besteht.
Massenspeichersysteme sehr hoher Dichte können unter Verwendung einer solchen Struktur gebildet werden, indem eine Anzahl getrennter "Zellen" auf der in einem Raster abtastbaren Oberfläche einer leitfähigen Ebene gebildet werden, die nahe bei der Spitze liegt. Jede Zelle stellt einen Speicherplatz dar. Jeder Speicherplatz wird als eine 1 oder 0 definiert, indem ein Molekül abgelagert wird, dessen Größe ausreicht, um vom Raster-Tunnelmikroskop innerhalb einer jeden Zelle zur Darstellung einer 1 erfaßt werden zu können. Zur Darstellung einer 0 wird kein Molekül abgelagert. Wenn das Raster-Tunnelmikroskop eine solche Oberfläche abtastet, werden diejenigen Zellen, in denen Moleküle abgelagert sind als Einsen gelesen, da bei ihnen die Spitze vom Steuersystem veranlaßt wird, sich zur Erhaltung eines gleichmäßigen Tunnelstroms von der Oberfläche wegzubewegen, wenn sich die Spitze über ein Molekül hinwegbewegt. Im Prinzip stellt das Molekül eine Erhebung in einer sonst glatten Oberfläche dar. Diese Erhebung hat zur Folge, daß sich die Entfernung zwischen der Spitze und der Oberseite des Moleküls verringert und so der Tunnelstrom erheblich ansteigt. Die Steuereinrichtung erfaßt dieses Ansteigen und legt an den bimorphen Ausleger die entsprechenden Spannungen an, die bewirken, daß sich die Spitze so weit von der Oberfläche wegbewegt, daß der Tunnelstrom wieder auf den konstanten Wert sinkt, auf den das System kalibriert wurde. Diese Bewegung der Spitze oder diese Veränderung in der an die biinorphen Elektroden angelegten Spannungen wird erfaßt und als eine logische 1 interpretiert. Eine weitere Schaltung überwacht die Spitzenposition und erzeugt beim Überqueren einer jeden weiteren Zelle ein Signal. Eine solche Bewegung einer Spitze beim Überqueren einer bestimmten Zelle kann also als eine 1 interpretiert werden und das Ausbleiben beim Überqueren einer anderen Zelle als eine 0. Solche Massenspeichersysteme können wegen ihrer kleinen, im atomaren Bereich liegenden Dimensionen potentiell eine enorme Informationsspeicherdichte erzielen.
Piezoelektrische Bimorph-Ausleger und die damit abgetasteten Oberflächen sind zur Bildung von Raster-Tunnel-Mikroskopen oder Raster-Kraft-Mikroskopen, die in eine Massenspeichervorrichtung integriert sind, auf dem gleichen Silizium-Substrat angebracht. Eine Aufzeichnungsoberfläche hat verschiedene Stellen, an denen Information gespeichert wird. Auf dem gleichen Substrat sind Steuerschaltungen zum Steuern des Abtastens der Aufzeichnungsoberfläche ausgebildet. Das Aufzeichnen und Abspielen, oder Schreiben und Lesen der Information wird durch einige alternative Mechanismen ausgeführt, einschließlich STM- und AFM-Techniken. Bild-Sensoren, wie CCD- Geräte, und Signalverarbeitungsschaltungen, wie Analog-Digital-Konverter und Digital-Analog-Konverter werden auf dem gleichen Substrat wie die Speichereinheiten ausgebildet, die aus der Kombination von Auslegerarmen mit Aufzeichnungsoberflächen bestehen.
Erfindungsgemäße Ausführungsformen werden nun anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines typischen Raster-Tunnelmikroskopsystems;
Fig. 2(a) und 2(b) Ansichten eines vorbekannten von IBM erfundenen nicht-integrierten Raster-Tunnelmikroskops für grobe Maßstäbe;
Fig. 3 - 10 eine Abfolge von Schnittdarstellungen entlang der Querachse des bimorphen Auslegers der Zwischenstadien in einem ersten Herstellungsvorgang des bevorzugten Aufbaus eines integrierten bimorphen Einzelarm-Auslegers mit Spitze für ein Raster-Tunnelmikroskop nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform;
Fig. 11 eine Schnittdarstellung der fertigen bevorzugten Struktur eines Raster-Tunnelmikroskops entlang der Längsachse des bimorphen Auslegers;
Fig. 12 eine Draufsicht der bevorzugten bimorphen Einzelarm- Auslegerstruktur nach einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 13 eine schematische Darstellung der vier Elektrodenpaare im bimorphen Einzelarm-Ausleger zum Erläutern dessen, wie die Bewegung entlang der drei Achsen erreicht wird;
Fig. 14 eine Tabelle der verschiedenen zum Erzielen der Bewegung entlang der Achsen anzulegenden Spannungen;
Fig. 15 - 20 sind Längs-Schnittdarstellungen durch einen Bimorph eines alternativen bimorphen piezoelektrischen Wandlers nach einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 21 eine Querschnittsdarstellung durch den Aufbau des Bimorphs in Ausführungsformen mit zwei Bimorphen;
Fig. 22 eine Draufsicht einer erfindungsgemäßen Ausführungsform mit zwei Bimorphen ohne auf dem Substrat integrierte Steuerschaltung;
Fig. 23 - 33 Schnittdarstellungen von Zwischenstufen im bevorzugten Verfahren zur Herstellung eines integrierten piezoelektrischen Wandlers und Raster-Tunnelmikroskops mit entweder dem bevorzugten Aufbau von Fig. 10 oder der Zweiarm-Struktur von Fig. 20 und 22;
Fig. 34(a) und (b) bis 36(a) und (b) Arten der Bewegung entlang der X-, Y- oder Z-Achse, die mit Einspitzen- Bimorphen mit dem in der Schnittdarstellung von Fig. 10 dargestellten Aufbau erzielt werden können;
Fig. 37(a) und (b) Arten der Kreisbewegung, die bei Ausführungsformen mit zwei Spitzen möglich sind, wobei ein Bimorph mit dem in Fig. 10 dargestellten Aufbau verwendet wird mit unabhängiger Bewegung in Z- Richtung und synchroner Bewegung in X-Y-Richtung;
Fig. 38 ein Diagramm eines Speichersystems für optische Bilder;
Fig. 39 ein Blockdiagramm eines Systems, das ein Anzahl piezoelektrischer bimorpher Ausleger zum Schreiben und Lesen von Information auf bzw. von Aufzeichnungsoberflächen;
Fig. 40 eine perspektivische Darstellung eines Substrats, auf dem durch Techniken für auf Halbleitern integrierte Schaltungen die Bild-Erfassungseinrichtungen und verschiedene Elemente eines Speichersystems mit einem bimorphen Ausleger- und einer Aufzeichnungsoberfläche;
Fig. 41 eine perspektivische Darstellung eines Substrats mit damit verbundenen Eingangs/Ausgangs-Klemmen.
Vor einer eingehenden Erörterung der bevorzugten und alternativen Ausführungsformen des integrierten piezoelektrischen Wandlers, eines Raster-Tunnelmikroskops (scanning tunneling microscope: STM) mit diesem Wandler und Verfahren zur Herstellung dieser Strukturen ist es hilfreich zum Verständnis der Eröffnungen dieser Erfindung, auf den Stand der Technik bei STMs einzugehen. In Fig. 1 ist ein bekanntes Raster-Tunnelmikroskop dargestellt, das erfindungsgemäß integriert werden kann. In Fig. 1 wird eine leitfähige Oberfläche 10 mit den topografischen Eigenschaften 1:2, 14 usw. von einer leitfähigen Spitze abgestastet. Diese Spitze ist an ihrem Ende sehr schmal und endet vorzugsweise in einem einzigen Atom an der Spitze 18.
Die Spitze 18 führt durch einen piezoelektrischen Wandler 20 über die Oberfläche 10 eine Abtastbewegung aus. Die Aufgabe des piezoelektrischen Wandlers ist das Führen der Spitze in einer Abtastbewegung über die Oberfläche durch das Definieren vieler Raster-Abtastlinien in der X-Y-Ebene. Der Wandler 20 bewegt die Spitze auch entlang der Z-Achse hin und her, während die Spitze in einer Abtastbewegung in der X-Y-Ebene bewegt wird, um eine Entfernung zwischen der Spitze 18 und dem obersten Punkt der topografischen Eigenschaft, über dem sich die Spitze befindet, mehr oder weniger konstant zu halten. Diese Entfernung beträgt für gewöhnlich ungefähr 1 bis 10 Å und muß innerhalb des Überlappungsbereichs der Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen der Elektronen der Atome in der Spitze 18 und der Atome im obersten Punkt der topografischen Eigenschaft, über der sich die Spitze gerade befindet, liegen. Solange sich die Entfernung zwischen der Spitze und der Oberfläche im Überlappungsbereich der Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen (Tunnelbereich - normalerweise weniger als 10 befindet und an den Übergang eine Vorspannung angelegt wird, flieht ein Tunnelstrom zwischen der Spitze 18 und der leitfähigen Oberfläche. Dieser Tunnelstrom wird durch den Pfeil IT dargestellt.
Die Größe des Tunnelstroms IT ist exponentiell abhängig von der Entfernung zwischen der Spitze und der Oberfläche. Die Größe des Tunnelstroms verringert sich bei größer werdender Entfernung und wird bei geringer werdendem Abstand größer. Damit dieser Tunnelstrom fließen kann, wird über eine Vorspannungsquelle 22 eine Vorspannung zwischen der Spitze 16 und der leitfähigen Oberfläche 10 angelegt. Ein Stromsensor 24 erfaßt die Größe des Tunnelstroms IT und gibt ein Rückkopplungssignal auf der Leitung 26 aus, das sich proportional zur Größe des Tunnelstroms verhält. Eine Rückkopplungsschaltung im Leitsystem 28 nimmt dieses Rückkopplungssignal auf und erzeugt entsprechende für den piezoelektrischen Wandler passende Treibersignale auf dem Bus 30, damit der piezoelektrische Wandler die Spitze 16 so bewegt, daß der Tunnelstrom IT auf einem relativ konstanten Wert bleibt. Das Leitsystem 28 erzeugt auch für den piezoelektrischen Wandler passende Treibersignale auf dem Bus 30, damit sich die Spitze 16 in Raster-Abstastbewegungen über die leitfähige Oberfläche bewegt.
Fig. 2 ist eine Darstellung des Aufbaus eines typischen vorbekannten Raster-Tunnelmikroskops, das im oben erwähnten IBM Journal of Research and Development erörtert wird. In Fig. sind die mechanischen Einzelheiten des Aufbaus dargestellt. Die Mirkoskopspitze T wird mit einem piezoelektrischen Dreifuß (X, Y, Z) in Fig. 2(a) in einer Abtastbewegung über die Oberfläche eines Musters S geführt. Mit einem Grobeinrichter L kann das Muster in Reichweite des Dreifußes gebracht werden. Durch ein Vibrationsfiltersystem P wird die Vorrichtung gegen äußere Vibrationen geschützt. In der Betriebsart mit konstantem Tunnelstrom wird die Spannung Vz durch die in Fig. 2(b) dargestellte Steuereinrichtung CU an das piezoelektrische Element Z angelegt. Die Steuereinrichtung sorgt für einen gleichbleibenden Tunnelstrom, während sich die Spitze in einer Abtastbewegung über die Oberfläche bewegt, durch Verändern der Steuerspannungen Vx und Vy. Der Weg der Spitze ähnelt im wesentlichen der Oberflächenstruktur. Unregelmäßigkeiten in der Elektronenstruktur der Oberfläche des Musters wirken sich auch in dem von der Spitze zurückgelegten Weg aus. Das ist auf der rechten Seite des Musters S durch zwei Atome mit übergroßer negativer Ladung dargestellt.

Verfahren Nr. 1

In Fig. 3 ist eine integrierte Anordnung gezeigt, die eine Zwischenstufe nach den ersten Schritten im Verfahren bei der Herstellung eines integrierten Raster-Tunnelmikroskopes mit einem piezoelektrischen Wandler darstellt. Die Herstellung beginnt mit einem Substrat 32. Vorzugsweise besteht dieses Substrat aus Silizium oder aus einem anderen Tägerstoff, der zur Bildung integrierter elektronischer Schaltungen geeignet ist. Das Substrat kann jedoch aus jedwedem Material bestehen, das chemisch, mechanisch und thermisch mit den auf der Oberfläche des Substrates zu bildenden Stoffen kompatibel ist. Das Substrat 32 wird vorzugsweise aus einem Halbleitermaterial hergestellt, so daß die Steuerschaltung zur Bewirkung der Spitzenbewegung über den piezoelektrischen Bimorph auf dem selben Substrat wie der Bimorph selbst hergestellt werden kann.
Der erste Schritt in der Herstellungsabfolge ist die Ablagerung einer Abstandsschicht 34 unter dem Teil des Bimorphs, der als Ausleger wirken soll. Der Bimorph wird an dem der Spitze gegenüberliegenden Ende auf dem Substrat befestigt, so daß in diesem Befestigungsbereich kein Abstandsmaterial gebildet wird. Diese Abstandsschicht wird dann später wieder entfernt, damit zwischen der obersten Oberfläche (positivste Z-Koordinate) des Substrats 32 und der Unterseite (negativste Z-Koordinate) des auf der Oberseite des Abstandsmaterials zu bildenden piezoelektrischen Bimorphs ein Abstand geschaffen wird. Dadurch wird für die Bewegung des piezoelektrischen Bimorphs entlang der Z-Achse ein Spielraum hergestellt. Das Abstandsmaterial ist vorzugsweise Titan, Titan/Wolfram oder Polyimid. Diese Abstandsschicht muß aus einem Material sein, das selektiv geätzt werden kann, ohne daß das Ätzmittel das Material des Substrats 32 oder das Material der darüberliegenden Elektrode und piezoelektrischen Material schichten angreift. Diese Gruppe von Materialien wird im folgenden als Materialien der Klasse 1 bezeichnet. Jedes Material, das sich selektiv ohne Beschädigung der Materialien der anderen Schichten ätzen läßt, ist zum Zweck der Erfindung brauchbar. Titan- Wolfram-Legierung (10% Ti: 90% W) ist ein Material der Klasse 1, das sich selektiv durch Wasserstoff-Peroxid ätzen läßt, wenn die Leiter Aluminium sind und das piezoelektrische Material Zinkoxid ist. Polyimid ist ein weiteres Beispiel eines Materials der Klasse 1, das sich selektiv durch ein Sauerstoffplasma ätzen läßt. Die Stärke der Abstandsschicht 34 sollte für eine Bewegung des Bimorphs in der negativen Z- Richtung ausreichend sein.
Dann wird eine Schicht leitfähigen Materials oben auf der Abstandsschicht abgelagert. Diese Schicht leitfähigen Materials wird photolithographisch mit einem Muster versehen und zur Bildung der drei Elektroden 36, 38 und 40 geätzt. Der Zweck dieser Elektroden wird später klar werden, wenn auf den Betrieb der gesamten Struktur eingegangen werden wird. Es ist festzuhalten, daß die Elektrode 38 in den Zeichnungen zwar schmaler dargestellt ist als die Elektroden 36 und 40, die Elektroden aber in Wirklichkeit normalerweise alle die gleiche Größe haben. Das muß jedoch nicht unbedingt so sein. Die leitfähige Schicht, aus der die Elektroden 36, 38 und 40 gebildet werden, ist vorzugsweise aus Aluminium und wird bis zu einer Stärke von 0,1 bis 1,0 Jun abgelagert. Die Elektroden 36 und 40 werden so ausgelegt, daß sie jeweils ungefähr 3 µm breit sind.
In Fig. 4 ist eine weitere Zwischenstufe bei der Herstellung des integrierten piezoelektrischen Raster-Tunnelmikroskops nach der Ablagerung der ersten Schicht piezoelektrischen Materials dargestellt. Nach der Ausbildung der ersten drei Elektroden ist der nächste Verfahrensschritt die Ablagerung einer ersten Schicht piezoelektrischen Materials über die gesamte Fläche des Chips. Diese Schicht 42 ist in der bevorzugten Ausführungsform der Anordnung Zinkoxid und wird bis zu einer Stärke von 2 µm durch reaktive Kathodenzerstäubung in einer Sauerstoffumgebung abgelagert. Verfahren zum Ablagern von Zinkoxid sind bekannt und in den folgenden Referenzen beschrieben, die damit als Referenzen in die Erfindung einbezogen sind: Rozgonyi und Polito, Preparation of ZnO Thin Films By Sputtering of the Compund in Oxygen and Argon, (Herstellung von dünnen ZnO-Schichten durch Zerstäubung der Verbindung in Sauerstoff und Argon) Applied Physics Letters, S. 220-223, Vol. 8, Nr. 9 (1966); Denburg, Wide-Bandwidth High- Coupling Sputtered ZnO Transducers on Sapphire (Hochkoppelnde Breitbandwandler aus zerstäubtem ZnO auf Saphir), IEEE Transactions On Sonics and Ultrasonics, S. 31-35, Vol. SU-18, No. 1, (Jan. 1971); Larson et al., RF Diode Sputtered ZnO Transdurcers (Wandler aus von einer HF-Diode zerstäubtem ZnO) IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics, S. 18-22 (Jan. 1972); Shiosaki et al., Low-Frequency Piezoelectric-Transducer Applications of ZnO Film (Anwendungsmöglichkeiten von ZnO-Film bei piezoelektrischen Niederfrequenz-Wandlern), S. 3266-3272, Journal of Applied Physics, Vol. 46, Nr. 8 (Aug. 1975); Chen et al., Thin Film ZnO-MOS Transducer With Virtually DC Response (Dünnfilm ZnO-MOS-Wandler mit virtueller DC-Response), S. 945-948, 1985 Ultrasonics Symposium of IEEE; Royer et al., ZnO on Si Intergrated Acoustic Sensor (integrierter akustischer Sensor aus ZnO auf Si), S. 357-362, Sensors and Actuators, 4 (1983); Kim et al., IC-Processed Piezoelectric Microphone (Piezoelektrisches Mikrophon mit IC-Verarbeitung), S- 467-468, IEEE Electron Device Letters, Vol. EDL-8, Nr. 10 (Oktober 1987). Dann wird über der ersten piezoelektrischen Schicht 42 eine Schicht leitfähigen Materials 44 abgelagert. Der Zweck dieser leitfähigen Schicht ist die Bildung einer Mittelelektrode zwischen den beiden Schichten piezoelektrischen Materials, die zur Bildung des Bimorphs dienen. Vorzugsweise ist die Schicht 44 aus Aluminium und wird bis zu einer Stärke von 0,1 bis 1,0 µm abgelagert. Aus dieser Schicht wird photolithographisch eine Mittelelektrode mit einer Breite von 10 bis 200µm gebildet.
In Fig. 5 ist eine weitere Zwischenstufe bei der Herstellung des Bimorphs nach der Ablagerung der zweiten piezoelektrischen Schicht dargestellt. Diese zweite piezoelektrische Schicht 46 ist in der bevorzugten Ausführungsform der Anordnung Zinkoxid und wird zu einer Dicke von 2µm abgelagert. Dann wird auf der zweiten piezoelektrischen Schicht 46 eine Schicht leitfähigen Materials abgelagert. Diese Schicht leitfähigen Materials ist vorzugsweise 0,1 bis 1,0 µm dickes Aluminium. In einigen Ausführungsformen werden zusätzlich 1000 Å Gold auf dem Aluminium abgelagert. Aus dieser leitfähigen Schicht werden photolithographisch drei Elektroden 48, 50 und 52 gebildet. Diese Elektroden werden nach der Lage der Elektroden 36, 38 und 40 ausgerichtet und haben die gleiche Breite wie diese Elektroden. Vorzugsweise werden die Elektroden 48, 50 und 52 unter Verwendung von Abhebetechniken abgelagert.
In Fig. 6 ist eine Zwischenstufe im Herstellungsverfahren nach den ersten Schritten des Verfahrens der Herstellung der Spitze auf der Mittelelektrode 50 dargestellt. Die Herstellung von Metallkoni durch Verdampfen ist keine neue Technik, sie wurde vielmehr zuvor von Spindt et al., J. Appl. Phys, 47, 5248 (1976) beschrieben. Fig. 6 stellt eine alternative Ausführungsform des Spitzenbildungsverfahrens unter Verwendung einer integrierten Schattenmaske dar.
Das beste Verfahren zur Herstellung einer Spitze mit ausreichender Schärfe ist grundsätzlich die Verwendung einer Schattenmaske. In Fig. 6 wird diese Schattenmaske aus über der obersten Gruppe von drei Elektroden, 48, 50 und 52 abgeschiedenen Schichten gebildet. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Anordnung wird zur Bildung der Schattenmaske mit Ausrichtungskeilen ein eigener Wafer hergestellt und dieser eigene Wafer unter Ausrichtung der Ausrichtungskeile bei jedem Wafer auf der in Fig. 5 gezeigten Anordnung angebracht. Der eigene Wafer und die Anordnung von Fig. 5 werden dann so bearbeitet, daß sie physikalische Eigenschaften von Schloß und Schlüssel haben, so daß die Öffnung in der Schattenmaske über der Mittelelektrode 50 entsprechend ausgerichtet werden kann. Bei der in Fig. 6 dargestellten alternativen Ausführungsform ist der erste Schritt bei der Bildung der integrierten Schattenmaske die Ablagerung einer Schicht 54 des Abstandsmaterials der Klasse 1. Wiederum muß diese Schicht 54 selektiv durch ein Ätzmittel ätzbar sein, das das Material der Elektroden 48, 50 und 52 oder das Zinkoxid der Schichten 46 und 42 nicht angreift. Die Schicht aus Abstandsmaterial 54 braucht nicht aus der gleichen Art Material zu sein, wie das von Abstandsschicht 34. Doch muß das Material beider Schichten der Materialgruppe 1 angehören. Auf der Schicht 54 wird keine Musterung vorgenommen, und es bedeckt die gesamte Anordnung. Dann wird eine Schicht 56 eines Materials der Klasse 2, vorzugsweise Kupfer über der Abstandsschicht 54 abgelagert. Ein Material der Klasse 2 ist ein Material, das sich durch ein Ätzmittel selektiv ätzen läßt, das das darunter und darüber verwendete Material der Klasse 1 nicht angreift und das nach der Spitzenbildung ohne Ätzung des Spitzenmaterials weggeätzt werden kann. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Anordnung besteht die Abstandsschicht 54 aus Titan-Wolfram-Legierung mit einer Dicke von 1000 Ä. Die Schicht 56 aus Material der Klasse 2 ist vorzugsweise 2µm dickes Kupfer. Dann wird eine Abstandsschicht 58 aus Material der Klasse 1 mit einer Dicke von 5000 Å über der Schicht 56 aus Material der Klasse 2 abgelagert.
In Fig. 7 ist der integrierte Aufbau einer Zwischenstufe der Spitzenbildung nach dem Ätzen der Abstandsschicht 58 und dem Unterätzen der Schicht 56 der Klasse 2 dargestellt. Die Spitzenbildung wird durch das Verdampfen von Metall durch die Öffnung einer Schattenmaske bewerkstelligt. Diese Schattenmaskenöffnung muß über der Oberfläche, auf der die Spitze gebildet werden soll, erhoben sein, so daß ein Materialkonus aufgebaut werden kann bevor sich die Schattenmaskenöffnung durch die Ablagerung von Material auf der Schattenmaske schließt. In Fig. 7 ist die Schattenmaske die Schicht 58 und die Schattenmaskenöffnung die Öffnung 60 in dieser Schicht.
Die Öffnung 60 wird durch die Verwendung eines selektiven Ätzmittels für Material der Klasse 1 der Schicht 58 und herkömmlicher photolithographischer Techniken erzielt. Die Öffnung 60 hat einen Durchmesser von 1-2 µm und ist über der Mitte der Elektrode 50 zentriert. Im allgemeinen sollte die Öffnung 60 viel kleiner sein als die Breite der Mittelelektrode 50. Wenn das Material der Klasse 1 der Schicht 58 Titan- Wolfram-Legierung ist, wäre ein für diesen selektiven Ätzschritt passendes Ätzmittel Wasserstoffperoxid.
Nach dem Ätzen der Öffnung 60 muß die Kupferschicht 56 zurückgeätzt werden, so daß der Umkreis der Öffnung 60 unterätzt wird. Der Zweck dieses Unterätzschrittes ist die Schaffung von Spielraum für die Seiten des später zu bildenden Spitzenkonus. Der Unterätzschritt bei dem Material der Klasse 2 der Schicht 56 wird unter Verwendung eines selektiven Ätzmittels durchgeführt, das nur Material der Klasse 2 angreift. Wenn die Schicht 56 aus Kupfer ist, wird diese Ätzung mit der Öffnung 60 als Maske und unter Verwendung von Salpetersäure, Wasserstoffperoxid und Wasser in einem Mischungsverhältnis von 10:1:100 vorgenommen. Das heißt, daß das Ätzmittel aus 10 Teilen HNO&sub3;, einem Teil H&sub2;O&sub2; und 100 Teilen H&sub2;O besteht.
In Fig. 8 ist der Zustand der Anordnung während eines Zwischenschritts im Herstellungsverfahren nach der Spitzenbildung jedoch vor dem Entfernen jener Schichten, die beim Spitzenherstellungsverfahren gebildet wurden, dargestellt. Vor dem Aufdampfen des Spitzenmaterials wird ein dritter Ätzschritt durchgeführt zum selektiven Ätzen durch das Material der Klasse 1 der Schicht 54 zur Bildung einer Öffnung über der Mitte der Elektrode 50. In einigen Ausführungsformen folgt nun ein Reinigungsschritt zur Reinigung der Oberfläche der Elektrode 50 als Vorbereitung zur Spitzenablagerung. Dadurch wird eine bessere Anhaftung des Spitzenmaterials an die Elektrode 50 erreicht. Zum selektiven Ätzen der Schicht 54 wird eine zeitlich abgestimmte Flüssigkeitsätzung oder Plasmaätzung zum Freilegen der Oberfläche der Elektrode 50 vorgenommen. Dieser Ätzschritt ätzt auch die Schicht 58 ein wenig an und die gesamte Schicht 54 bis zur Elektrode 50. Aus diesem Grund sollte die Schicht 58 mindestens zweimal so dick und vorzugsweise dreimal so dick wie die Schicht 54 ausgebildet sein. Eine zeitlich abgestimmte Zerstäubung wird, falls benötigt, zum Reinigen der Oberfläche der Elektrode 50 verwendet. Die Lage des Randes der Öffnung in der Schicht 54 im Verhältnis zur Lage des Randes der Öffnung in der Schicht 56 hängt davon ab, ob zum Ätzen der Schicht 54 ein Fliissigkeits- oder Plasma- Ätzverfahren verwendet wird. Der Rand der Öffnung in der Schicht 54 liegt mit dem Rand der Öffnung in der Schicht 56 zusammen, wenn mit Flüssigkeit geätzt wird und liegt ungefähr mit dem Rand der Öffnung 60 in der Schicht 58 zusammen, wenn eine Plasmaätzung eingesetzt wird.
Als nächstes wird die Spitze 66 gebildet. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Anordnung wird diese Spitze durch Vakuum-Aufdainpfen von Tantal oder einem anderen Material der Klasse 3 gebildet. Für die Spitze 66 kann auch ein anderes Material verwendet werden, wenn es die Eigenschaften einer dritten Klasse von Materialien besitzt, die im folgenden definiert wird. Ein Material der Klasse 3 muß so beschaffen sein, daß es an der Luft nicht merklich oxidiert, und es muß so beschaffen sein, daß es sich nicht durch das zum Ätzen des Materials der Klasse 2 der Schicht 56 verwendete Ätzmittel ätzen läßt. Tantal ist ein solches Material, wenn für die Schicht 56 Kupfer verwendet wird. Eine andere Möglichkeit als Spitzenmaterial wäre mit durch aufgedampftes Edelmetall beschichtetes Aluminium. Als Alternative kann die Spitze auch aus reinem Edelmetall sein, oder aus einem anderen Leiter, der sich in der oben beschriebenen Weise selektiv ätzen läßt.
Die Verdampfung des Klasse-3-Materials 62 von einem weit (ungefähr 10 cm) über der Oberfläche angeordneten Ausgangspunkt (Dimension ungefähr 1-5 mm) resultiert in der Bildung der Schicht 64. Während sich die Aufdampfung durch die Oberfläche 60 fortsetzt, verringert sich der Durchmesser der Öffnung in der Schicht 64 allmählich aufgrund des sich auf den Seitenwänden der Öffnung ablagernden Verdampfungsmaterials. Während sich der Durchmesser der Öffnung in der Schicht 64 ständig verkleinert, verkleinert sich auch der Durchmesser des sich unter dieser Öffnung bildenden Konus von Material in der Spitze 66. Wenn sich die Öffnung in der Schicht letztendlich verschließt, ist die Bildung der Spitze abgeschlossen, und es ist eine sehr scharfe Spitze (Spitzenradius weniger als 1000 Å) hergestellt worden.
Fig. 9 ist eine Schnittdarstellung der Anordnung während eines Zwischenschrittes in der Herstellung nach dem Abheben der Schattenmaskenschichten und dem Ablagern eine Ätzmaskenschicht aus Zinkoxid. Unter Befolgung der in bezug auf Fig. 8 beschriebenen Schritte ist es notwendig, die Schichten 54, 56, 58 und 64 zu entfernen, um die Spitze 66 freizulegen. Dies geschieht durch eine Abhebeätzung zum Entfernen des Materials der Klasse 2 der Schicht 56. Diese Abhebeätzung entfernt alle Schichten über der Schicht 54, das heißt die Schicht 56 der Klasse 2, die Schicht 64 der Klasse 3 und die Schicht 58 der Klasse 1.
Dann ist es notwendig, die Schichten 47 und 42 zum Festlegen der Seitenwände des Bimorph-Auslegers zu ätzen. Dies geschieht durch photolithographische Musterung der verbleibenden Schicht 54, die, wie oben beschrieben, als eine Ätzmaske für das Zinkoxid dient. Die Schicht 54 wird so gemustert, daß sie das in Fig. 9 gezeigte Muster aufweist. Die Ränder 70 und 72 dieser Schicht verlaufen längs der X-Achse außerhalb der Ränder 74 und 76 der Metall-Elektrodenschicht 44. Der Grund für diese Lage ist sicherzustellen, daß die Ränder 74 und 76 der Mittelelektrode vollständig im Zinkoxid der Schichten 46 und 42 eingeschlossen sind. Dies geschieht, damit Leckströme und Bogenbildung zwischen den Elektroden 36, 40, 44, 48 und 50 verhindert werden, die die Durchschlagspannungen verringern würden und die Vorrichtung für den Betrieb bei hohen Spannungen unbrauchbar machen würden. Der Grund für die Bildung der Ätzmaske 68 ist die Verbesserung der Auflösung der Ätzung der piezoelektrischen Schichten 42 und 46. Wenn piezoelektrisches Material wie Zinkoxid unter Verwendung von Fotolack geätzt wird, entsteht eine sehr schlechte Auflösung, was die genaue Lage des piezoelektrischen Materials im Vergleich zum Rand des Fotolacks betrifft. Es hat sich herausgestellt, daß die Sicherheit über die Lage dieses Randes erheblich verbessert werden kann, wenn zuerst eine Ätzmaske aus Material der Klasse 1 wie Titan-Wolfram-Legierung gebildet wird und dann diese Ätzmaske zur Führung des Ätzens des piezoelektrischen Materials verwendet wird. Nach der Bildung der Schicht 68 wird eine Lösung aus 15 g NaNO&sub3;, 5 ml HNO&sub3; und 600 ml H&sub2;O verwendet, um die piezoelektrischen Schichten 46 und 42 auf die ungefähre Lage der Ränder 70 und 72 zurückzuätzen.
Nach dem Frei legen der Spitze und dem Ätzen der piezoelektrischen Schichten wird die Abstandsschicht 34 zum Freilegen des Auslegers selektiv weggeätzt.
Fig. 10 ist eine Schnittdarstellung der fertigen bevorzugten piezoelektrischen bimorphen Wandleranordnung in integrierter Form geiäß der Erfindung, nachdem die Abstandsmaterialschichten 34 und die Ätzmaskenschicht 54 selektiv weggeätzt wurden. Durch das Entfernen der Abstandsschicht 34 hat sich die Öffnung 78 gebildet. Es ist dieser Hohlraum, der es der Spitze 66 erlaubt, sich unter dem Einfluß der durch das piezoelektrische Material erzeugten Kräfte entlang der Z-Achse zu bewegen.
Fig. 11 ist eine Schnittdarstellung des Bimorph-Auslegers entlang der Y-Z-Ebene, während die Schnittdarstellung von Fig. 10 entlang der X-Z-Ebene erfolgte. Fig. 12 ist eine Draufsicht des bimorphen Auslegers entlang der Z-Achse in der X-Y-Ebene.
In Fig. 12 ist die Lage der Schnitte der Fig. 10 und 11 als die Schnittlinien 10-10' und 11-11' zu erkennen. In Fig. 11 kann man den Auslegercharakter der Bimorphanordnung erkennen und daß der Bimorph nur im Bereich 80 am Substrat 32 befestigt ist. Die relativen Abmessungen in Fig. 12 sind nicht unbedingt für eine tatsächlich im Handel verwendete Konstruktion maßgebend. Die Bondinseln 97, 99 und 101 sind über Leiterpfade mit den beiden durch die Elektroden 52, 40 und 44 gebildeten Elektrodenpaaren verbunden. Die Bondinsel 95 ist über Leiterpfade mit den beiden Elektroden 50 und 38 und der Spitze 66 verbunden. In Ausführungsformen, bei denen die Steuerungsschaltung auf dem Substrat 32 integriert ist, können die in Fig. 12 dargestellten Bondinseln weggelassen werden.

Notwendige zusätzlichen Elemente für ein STM

Mit Bezug auf Fig. 11 gibt es noch mehrere zusätzliche Elemente eines Raster-Tunnelmikroskopsystems, die zur Umwandlung des in Fig. 11 gezeigten piezoelektrischen Bimorph-Ausleger-Wandlers in ein System mit vielfältigen vermarktbaren Anwendungsgebieten benötigt werden. Ein Abdeckwafer 82 mit einer leitfähigen Oberfläche 84 wird mit einem Hohlraum 86 so gebildet, daß der Wafer 82 physisch am Substrat 32 angebracht werden kann, wobei die leitfähige Oberfläche 84 oben in einem Abstand von einigen µm vom Ende der Spitze 66 liegt, so daß die Spitze 66 durch Biegung des Bimorphs an die Oberfläche 84 herangebracht werden kann. Bei der bevorzugten Ausführungsform des Raster-Tunnelmikroskops (STM) kann der Wafer aus Pyrex oder Silizium bestehen, doch kann der Wafer 82 in alternativen Ausführungsformen auch aus einem anderen Material bestehen, das mit den im Rest der Anordnung verwendeten Materialien mechanisch, thermisch und chemisch kompatibel ist. Vorzugsweise ist das Material des Wafers 82 so beschaffen, daß eine gute Verbindung zwischen dem Wafer 82 und dem Substrat 32 hergestellt werden kann und so, daß entsprechende bequeme Herstellungstechniken bekannt sind zur Herstellung des Hohlraums 86 und zum Befestigen der Leiterschicht 84 auf dem Wafer 82. In weiteren alternativen Ausführungsformen kann der Wafer 82 selbst ein leitfähiges Material sein, so daß nicht eine eigene leitfähige Oberfläche 84 abgebracht werden muß. In solchen Ausführungsformen sollte der Hohlraum so beschaffen sein, daß der interessierende Teil des Wafers 82 von der Spitze 66 abgetastet wird. Außerdem haben die Elektroden 36, 38, 40, 44, 48, 50 und 52 Leiterpfade durch die piezoelektrischen Schichten und über die Oberfläche des Substrats 32 zu Bondinseln, so daß die entsprechenden Spannungen an diese Elektroden angelegt werden können, damit die Spitze 66 in der erwünschten Art und Weise abtasten kann. Wenn diese Leiterpfade zwischen der Oberfläche des Substrats 32 und der anliegenden Oberfläche des Wafers 82 entlangführen, müssen die Materialien für diese beiden Bauteile so ausgewählt sein, daß die Leiterbahn gut ausgebildet werden kann.
In einigen Ausführungsformen kann die Steuerschaltung zum Liefern des Vorstroms an die Spitze 66 und zur Steuerung der an die verschiedenen Elektroden angelegten Spannungen in das Substrat 32 integriert sein. Der Block 88 stellt solche bekannten in bekannter Art und Weise auf dem Substrat integrierten Schaltungen dar. Die Lage des Blocks 88 ist nur illustrativ, da die Schaltung auf der Seite des Substrats, in einer Vertiefung im Substrat oder auf der Rückseite des Wafers gegenüber der Seite, von der aus der Bimorphausleger ausgebildet wird, integriert werden kann. Vorzugsweise wird die Schaltung an einem Ort integriert, an dem die Komplexheit der verschiedenen Signal- und Steuerungsspannungswege zu den entsprechenden Knoten der Schaltung möglichst minimiert wird.
Die in Fig. 11 dargestellte Anordnung kann bei der Massenspeicherung, der mikroskopischen Photolithographie, der Abbildung und bei anderen vermarktbaren Anwendungsformen eingesetzt werden.
Fig. 13 ist eine schematische Darstellung eines Schnitts durch den Bimorphausleger, um aufzuzeigen, wie die einzelnen Elektroden betrieben werden, um die Bewegung des Auslegers im Kartesischen Koordinatensystem zu bewirken. Der Schnitt von Fig. 13 erfolgt in der gleichen Richtung wie der Schnitt 10- 10' von Fig. 12. Die Vektoren 1, 2, 3 und 4 in Fig. 13 stellen die elektrischen Feldvektoren zwischen den vier Elektrodenpaaren dar. Der elektrische Feldvektor 1 stellt das Feld zwischen der Elektrode 51 und der Mittelelektrode 44 dar. Der elektrische Feldvektor 2 stellt das Feld zwischen der Mittelelektrode 44 und der Außenelektrode 40 dar. Der elektrische Feldvektor 3 stellt das Feld zwischen der Elektrode 48 und der Mittelelektrode 44 dar und der elektrische Feldvektor 4 das Feld zwischen der Mittelektrode und der Außenelektrode 36. In jedem Fall ist das elektrische Feld direkt proportional zur Potentialdifferenz, die an das Elektrodenpaar angelegt wird, das den zur Diskussion stehenden Bereich begrenzt.
Das piezoelektrische Zinkoxid ist so beschaffen, daß das Anlegen eines Feldes in Z-Richtung (entlang der kristallographischen C-Achse des Materials) ein Zusammenziehen des Materials entlang dieser Achse bewirkt und das Material sich gleichzeitig in Richtung der X- und der Y-Achse ausdehnt. Nur Ausdehnen oder Zusammenziehen entlang der Y-Achse bewirken ein Biegen des Bimorphs. Folglich bezieht sich die folgende Erörterung nur auf Y-Achsen-Bewegungen.
Fig. 14 ist eine Tabelle der erwünschten Bewegungen im Koordinatensystem, wobei die Achsen die links neben Fig. 13 angegebene Orientierung haben. Diese erwünschten Bewegungen werden in der Tabelle mit relativen Ausdehnungen im piezoelektrischen Material in Beziehung gebracht in Übereinstimmung mit den auf der rechten Seite der Tabelle aufgeführten Verhältnissen. Die Tabelle wird wie folgt interpretiert. Wenn eine Bewegung des Bimorphs von Fig. 13 nur in negativer X-Richtung gewünscht wird, ist es notwendig, die Elektroden 52 und 44 bzw. 44 und 40 so aufzuladen, daß die relative Y-Achsen-Ausdehnung des piezoelektrischen Materials in den Schichten 46 und 42 zwischen diesen beiden Elektrodenpaaren gleich ist. Weiter ist es notwendig, die Elektroden 48 und 44 bzw. 44 und 36 so aufzuladen, daß die Y-Achsen-Ausdehnung des piezoelektrischen Materials in den Schichten 46 und 42 zwischen diesen beiden Elektrodenpaaren ebenfalls gleich ist, jedoch so, daß die Y-Achsen-Ausdehnung zwischen den Elektrodenpaaren 48 und 44 bzw. 44 und 46 weniger ist als die Ausdehnung zwischen den Elektroden 52 und 44 bzw. 44 und 40. Anders ausgedrückt, wenn man die Vektoren 1-4 in Fig. 13 als die relativen Größen der Y-Achsen-Ausdehnung des piezoelektrischen Materials in den Schichten 46 und 42 in den örtlichen Bereichen, durch die diese Vektoren hindurchgehen, betrachtet, dann ist es zum Erzielen einer negativen X-Bewegung des Bimorphs notwendig, daß die Ausdehnung in den Bereichen 1 und 2 gleich und größer sind als die Ausdehnungen in den Bereichen 3 und 4. Dadurch entsteht eine Bewegung des Bimorphs in negativer X-Richtung in der gleichen mechanischen Weise, in der ein Bimetallstreifen funktioniert, bei dem eine Metallschicht des Bimetallstreifens sich weniger ausdehnt als die andere Metallschicht. Das bewirkt Kräfte, die den Streifen zum Verbiegen zu dem Streifen hin bringen, der sich weniger ausdehnt. Aus Fig. 14 läßt sich ersehen, daß bei einer positiven X-Ausdehnung die Situation im Vergleich zu der oben beschriebenen Situation genau die umgekehrte ist. Das heißt, daß die Ausdehnung in den Bereichen 3 und 4 gleich und größer sind als die Ausdehnungen in den Bereichen 1 und 2. Für eine negative Y-Bewegung, das heißt eine Bewegung der Spitze in die Zeichnung hinein, ist es folglich notwendig, die Elektroden 48, 52, 44, 36 und 40 so aufzuladen, daß sich das piezoelektische Material in den Bereichen 1-4 überall gleich weit zusammenzieht. Dieses Zusammenziehen wird als Ausdehnung bezeichnet, die weniger als Null beträgt. Für eine positive Y-Bewegung ist es notwendig, die gleichen Elektroden aufzuladen, so daß sich die Bereiche alle gleich ausdehnen, was als eine Ausdehnung bezeichnet wird, die über Null liegt. Für eine positive Z-Bewegung ist es notwendig die Elektroden so aufzuladen, daß sich die Bereiche 2 und 4 gleich und mehr ausdehnen als die Bereiche 1 und 3. Für eine negative Z-Bewegung ist es folglich notwendig, die Elektroden so aufzuladen, daß sich die Bereiche 1 und 3 gleich und mehr ausdehnen als die Bereiche 2 und 4.
Durch eine Superposition dieser Verhältnisse von einer Achse auf die Verhältnisse einer anderen Achse ist es möglich, jede gewünschte Bewegung im von dem dreiachsigen Koordinatensystem definierten Kartesischen Raum links von Fig. 13 zu erzielen. Das heißt, wenn gleichzeitig eine negative X- und eine positive Y-Bewegung erfolgen soll, werden die Verhältnisse dieser beiden Linien in der Tabelle von Fig. 14 überlagert, so daß zum Erzielen der erwünschten Y-Komponente alle vier Bereiche gleich um einen Wert A ausgedeht werden und zum Erzielen der erwünschten negativen X-Komponente die Bereiche 1 und 2 zusätzlich um einen Wert B ausgedehnt werden, der größer ist als die Ausdehnung in den Bereichen 3 und 4. Die Elektrode 50 dient dabei nur als Signalverbindung zur Spitze 66. Die untere Elektrode 38 ist mit der gleichen Vorspannung geladen wie die obere Mittelelektrode 50 und die Spitze, um zufällige, parasitäre Bewegungen auszuschließen, die von einem Ausdehnen oder Zusammenziehen in der piezoelektrischen Schicht 46 unter der Mittelelektrode 50 verursacht werden. Eine solche Bewegung wird durch die Bewegungen in der Schicht 42 aufgehoben, die von der Ladung an der unteren Mittelelektrode 38 hervorgerufen werden.

Verfahren Nr. 2

Ab Fig. 15 ist die Herstellung einer zweiarmigen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Wandlers gezeigt. In Fig. 15 bis 20 ist jeweils ein Längsschnitt durch einen Bimorph dargestellt, der ähnlich der Darstellung in Fig. 11 dargestellten, nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellten Wandler ist.
In Fig. 15 ist eine Zwischenstufe bei der Herstellung eines Armes eines zweiarmigen Bimorphs unter Verwendung der Rückseiten-Ätztechnik dargestellt. Ein Substrat 92 wird ausgewählt, das vorzugsweise ein Halbleiter ist, das aber in alternativen Ausführungsformen auch aus anderen mikroverarbeitbaren Materialien bestehen kann. Halbleitermaterial wird für das Substrat bevorzugt, da die Steuerschaltung dadurch auf demselben Chip wie der Bimorph selbst integriert werden kann. Der erste Schritt in dem Verfahren ist das Aufbringen einer 500 Å dicken Schicht 94 aus Siliziumdioxid. Dann wird eine 900 Å dicke Schicht Nitrid (Si&sub3;N&sub4;) aufgebracht, und es werden herkömmliche photolithografische Techniken verwendet, das Loch durch die Oxidschicht 94 und die Nitridschicht 96 festzulegen und zu ätzen, um die Oberfläche des Substrats 92, wie bei 98 gezeigt, freizulegen.
Fig. 16 zeigt eine weitere Zwischenstufe bei der Herstellung eines zweiarmigen Bimorphs nach dem Ätzen des Hohlraums. Nach dem Festlegen der Lage der Öffnung in der Silizium-Dioxid- und der Nitridschicht, wie in Fig. 15 gezeigt, wird eine KOH-Ätzung eingesetzt, um in das Substrat 92 einen 350 µm tiefen Graben einzuätzen, wobei die Nitridschicht als Ätzmaske dient. Dieser Graben ist mit 100 bezeichnet. Danach wird die Nitridschicht 96 abgetragen, und es verbleibt lediglich die Siliziumoxidschicht 94. Ausrichtmarkierungen werden dann auf die Seite A aufgedruckt, um eine Ausrichtung nach dem Muster auf Seite B zu ermöglichen (siehe Fig. 15).
In Fig. 17 ist ein weiterer Zwischenschritt im Verfahren nach dem Ablagern der ersten Elektrodenschicht dargestellt. Der nächste Schritt besteht darin, 0,1 bis 1,0 µm dickes Aluminium abzulagern und es so zu mustern, daß die mit 102 bezeichnete Elektrode entsteht.
In Fig. 18 ist ein weiterer Zwischenschritt nach dem Ablagern der ersten piezoelektrischen Schicht und dem Bilden der Mittelelektrode dargestellt. Nach dem Bilden der Elektrode 102 wird eine Schicht 104 aus piezoelektrischem Material abgelagert. Diese Schicht ist 2 µm dickes Zinkoxid oder ein anderes piezoelektrisches Material. Dann wird eine 0,1 bis 1,0 µm dicke Aluminiumschicht abgelagert und so gemustert und geätzt, daß dabei die Mittelelektrode 106 entsteht.
In Fig. 19 ist ein Zwischenschritt bei der Herstellung des zweiarmigen Bimorphs nach dem Bilden der zweiten piezoelektrischen Materialschicht und der oberen Elektrode dargestellt. Nach dem Bilden der Mittelelektrode 106 wird eine 2 µm dicke Schicht 108 piezoelektrischen Materials abgelagert. Diese Schicht besteht aus Zinkoxid oder einem anderen piezoelektrischen Material. Dann werden 0,1 bis 1,0 µm Aluminium und 1000 Å Gold über der piezoelektrischen Schicht 108 abgelagert. Diese Schicht leitfähigen Materials wird dann unter Verwendung von Abhebetechniken strukturiert und in die obere Elektrode 110 und eine Spitzenelektrode 112 geformt.
In Fig. 20 ist ein weiterer Zwischenschritt bei der Herstellung des zweiarmigen Bimorphs nach dem Bilden der Spitze und dem Unterätzen der Anordnung zum Freilegen des Bimorphs dargestellt. Das Verfahren zum Bilden der Spitze 114 ist mit dem im Zusammenhang mit Fig. 2 bis 10 erörterten Verfahren identisch. Nach dem Bilden der Spitze wird das Zinkoxid gemustert und zur Bildung der Kante 116 geätzt. Dieses Verfahren wird unter Verwendung des gleichen Ätzmaskenmaterials der Klasse 1 durchgeführt, wie es in dem im Zusammenhang mit Fig. 3 bis 10 erörterten Verfahren verwendet wurde. Schließlich wird ein Plasma-Ätzverfahren eingesetzt, um durch das verbleibende Substrat 92 auf die Siliziumdioxidschicht 94 hindurchzuätzen, um die feste Verbindung des Bimorpharms mit dem Substrat 92 im Bereich 118 zu lösen.
In Fig. 21 ist ein Querschnitt entlang der Schnittlinie 21-21' von Fig. 20 durch den Bimorph von Fig. 20 dargestellt. Wie in Fig. 21 gezeigt, gibt es in dem in Fig. 21 dargestellten Bimorph nur zwei Elektrodenpaare. Diese beiden Elektrodenpaare sind die Elektrode 110 und die Elektrode 106, bzw. die Elektrode 106 und die Elektrode 102. Dem Fachmann wird erkenntlich, daß diese Anordnung es dem Bimorph ermöglicht, sich nach oben und nach unten entlang der Z-Achse zu verbiegen und sich entlang der X-Achse auszudehnen oder zusammenzuziehen.
Zum Erzielen von Bewegungen im dreiachsigen Kartesischen Koordinatensystem muß ein zweiter Arm mit dem in Fig. 20 und 21 gezeigten Aufbau gebildet werden und am Ort der Spitze 114 an Bimorph von Fig. 20 und 21 angebracht werden. Eine Draufsicht der Anordnung dieses Bimorphaufbaus ist in Fig. 22 dargestellt.
In Fig. 22 zeigt die Schnittlinie 20-20' die Lage des in Fig. 20 dargestellten Schnitts durch die Anordnung von Fig. 22 an. Bei der in Fig. 22 dargestellten Anordnung erstrecken sich zwei Bimorpharme 116 und 118 vom Substrat 92 und sind am ungefähren Ort der Spitze 114 im rechten Winkel miteinander verbunden. Der Bimorph 116 kann die Spitze 114 entlang der Z- Achse nach oben und nach unten und in Längsrichtung der X- Achse bewegen. Der Bimorph 116 kann die Spitze entlang der z- Achse auf und ab und in Längsrichtung der Y-Achse bewegen. Die drei Elektroden 110, 106 und 102 des Bimorphs 118 sind jeweils mit den Bondinseln 120, 122 und 124 verbunden. Diese Verbindungen werden durch elektrische Leiter 126, 128 und 130 hergestellt, die gleichzeitig mit den Elektroden 110, 106 und 102 auf der Oberfläche des Substrats 92 photolithografisch erzeugt werden. Die Spitze 114 ist über einen elektrischen Leiter 132 mit einer Bondinsel 134 verbunden. Die entsprechenden drei Elektroden des Bimorphs 116 sind mit den Bondinseln 136, 138 und 140 verbunden. In alternativen Ausführungsformen kann die Schaltung zum Steuern der an die sechs Elektroden angelegten Vorspannungen zum Erzielen von Spitzenbewegungen und zum Vorspannen der Spitze 114 mit einer korrekten Spannung auch auf dem Substrat 92 integriert werden und damit die unten in Fig. 22 dargestellten Bondinseln überflüssig machen. Bei einer solchen Ausführungsform gäbe es dann Bondinseln zur Stromversorgung der für die Vorspannung der Spitze und die Steuerung der Elektroden eingesetzten Schaltung.

Verfahren Nr. 3 - Bevorzugt

Das im folgenden beschriebene Verfahren wird zur Herstellung entweder eines einarmigen piezoelektrischen Wandlers mit dem Aufbau von Fig. 10 oder eines zweiarmigen piezoelektrischen Wandlers von der Draufsicht Fig. 22 und dem Schnitt Fig. 20 eingesetzt. In Fig. 23 ist ein Zwischenschritt des bevorzugten Verfahrens bei der Herstellung eines Raster-Tunnelmikroskops dargestellt. Beim ersten Schritt des Verfahrens wird ein [100] Siliziumwafer von 380 µm Dicke mit einem üblichen Säurereiniger gereinigt. Die Einzelheiten dieses Reinigungsverfahrens sind in Anhang A, einem detaillierten Verfahrensplan der bevorzugten Ausführungsform, aufgeführt. Dann wird eine 5000 Å dicke Schicht 136 aus Siliziumdioxid thermisch aufgebracht. Danach wird eine 1000 Å dicke Schicht 138 aus Siliziumnitrid über dem Siliziumoxid durch chemische Niederdruck-Dampfphasenabscheidung (low pressure chemical vapor deposition: LPCVD) abgelagert.
In Fig. 24 ist der nächste Verfahrensschritt dargestellt nach dem Ätzen der Rückseitenvertiefung. Um dem später zu bildenden Ausleger Spielraum zu verschaffen, wird eine Rückseitenätzung vorgenommen. Der erste Schritt in diesem Verfahren ist das Ätzen einer Vertiefung in der Rückseite. Negativer Fotolack (nicht abgebildet) wird auf der Rückseite aufgetragen und so geformt, daß er die Lage der Vertiefung festlegt. Dann wird unter Verwendung eines Sauerstoff-Plasmaätzverfahrens eventuell noch vorhandener Schmutz von der Aussparung im Fotolack entfernt, wo die Vertiefung liegen soll. Die Einzelheiten dieses Plasma-Ätzverfahrens sind in Anhang A aufgeführt. Dann wird die Nitridschicht geätzt durch ein Plasma aus SF&sub6; und F13B1 in einem Mischungsverhältnis von 1:1. Darauf wird die Oxidschicht 136 unter Verwendung einer 6:1 gepufferten Oxid-Ätzlösung (buffered oxide etch solution: BOE) geätzt. Nach diesen zwei Ätzschritten wird der verbleibende (nicht abgebildete) Fotolack entfernt, und der Wafer wird unter Verwendung des in Anhang A aufgeführten Verfahrens gereinigt. Dann werden 340 µm des Siliziums von dem Substrat 140 weggeätzt, wobei die Nitrid/Oxid-Schichten als Ätzmasken dienen. Diese Ätzung wird unter Anwendung einer 30% KOH-Ätzung bei 80ºC vorgenommen. Der Wafer wird dann in einer Lösung aus H&sub2;O und HCl im Verhältnis 10:1, gefolgt von einer Spülung in vollentsalztem Wasser gespült. Dabei bleibt die Vertiefung 142 übrig.
Das Substrat 140 hat eine polierte Vorderseite 144. Ausrichtungsmarkierung werden in diese Oberfläche eingeätzt, so daß die Ausrichtung der verschiedenen Musterungsschritte aufeinander erleichtert wird. In Fig. 25 ist der Wafer nach dem Einätzen dieser Ausrichtungsmarkierung 146 dargestellt. Das Verfahren zum Erzeugen dieser Ausrichtungsmarkierungen beginnt mit dem Aufteilen lichtunempfindlicher Masse zum Festlegen der Positionen der Ausrichtungsmarkierungen 146. Dann wird zum Säubern der Öffnungen ein Sauerstoffplasma verwendet, und die Nitridschicht 138 und die Oxidschicht 136 werden unter Verwendung des gleichen Verfahrens geätzt, wie im Zusammenhang mit Fig. 24 beschrieben. Dann folgt eine Spülung mit vollentsalztem Wasser, ein Trocknungszyklus in Stickstoffumgebung und eine Ätzung von 3 µm Silizium durch ein Plasma aus SF&sub6; und C&sub2;ClF&sub5; im Verhältnis 1:1. Dann wird der Wafer nach dem in Anhang A beschriebenen Verfahren gereinigt und die restliche lichtunempfindliche Masse entfernt Die Nitridschicht 138 wird dann unter Verwendung konzentrieten H&sub3;PO&sub4; bei 165ºC während einer Stunde entfernt, gefolgt von einer Spülung mit vollentsalztem Wasser und einem Trockenzyklus in Stickstoffumgebung.
Der nächste Schritt ist in Fig. 26 dargestellt. Zum Ablagern der unteren Elektrode 148 wird die Form der Elektrode durch ein Positiv-Lack-Abhebeverfahren festgelegt. Dann wird das Metall der Elektrode durch Elektronenstrahlverdampfungsabscheidung von 1000 Å Aluminium bei Zimmertemperatur aufgedampft. Das überflüssige Aluminium wird durch Eintauchen des Wafers in heißes Azeton entfernt. Dann wird der Wafer in kaltem Azeton, Methanol und vollentsalztem Wasser gespült und in Stickstoffumgebung getrocknet.
In Fig. 27 ist der nächste Verfahrensschritt definiert. Nach dem Ablagern der unteren Elektrode ist es notwendig, die piezoelektrische Schicht abzulagern. Dies wird erreicht, indem die Oberfläche zuerst 30 s lang Kathodenzerstäubungsgereinigt wird und dann durch Elektronenstrahlverdampfungsabscheidung 1000 Å Si1iziumdioxid 150 auf dem Substrat aufgedampft werden, während das Substrat auf einer Temperatur von 200ºC gehalten wird. Dann wird eine 2 µm dicke Schicht 152 aus Zinkoxid durch Zerstäubung eines Zinktargets in einer 5:1 O&sub2;:Ar Gasumgebung beim 30 mTorr aufgebracht. Während dieses Vorgangs wird das Substrat auf einer Temperatur von 300ºC gehalten. Anschließend wird eine 1000 Å dicke Schicht 154 aus Siliziumdioxid über dem Zinkoxid durch Elektronenstrahlverdampfung abgelagert, wobei das Substrat auf 200ºC gehalten wird.
In Fig. 28 ist der Zwischenschritt im Verfahren nach der Bildung der Mittelelektrode dargestellt. Zum Ablagern der Mittelelektrode 156 wird die Form der Elektrode mit der Maske Nr. 4 und einer Positiv-Lack-Abhebetechnik festgelegt. Dann wird eine 1000 Å dicke Aluminiumschicht durch Elektronenstrahlverdampfung unter Benutzung eines Raumtemperatur-Waferhalters abgeschieden. Das überflüssige Aluminium wird dann durch Tauchen des Wafers in heißes Azeton entfernt. Anschließend wird der Wafer in kaltem Azeton, Methanol und vollentsalztem Wasser gespült, gefolgt von einem Trocknungszyklus in Stickstoffumgebung.
In Fig. 29 ist der Verfahrensschritt nach dem Ablagern der oberen Oxidschichten dargestellt. Der erste Schritt in diesem Verfahren ist 30 s Zerstäubungsreinigen des Wafers. Dann wird eine 1000 Ångström dicke Siliziumdioxidschicht 158 durch Elektronenstrahlverdampfung abgelagert, wobei das Substrat auf 200ºC gehalten wird. Die oberste Schicht aus piezoelektrischem Material 160 wird durch Ablagern von 2 µm Zinkoxid gebildet, wobei ein Zinktarget in einer 5:1 O&sub2;:Ar Gasumgebung bei 30 mTorr verwendet und das Substrat auf 300ºC gehalten wird. Schließlich wird eine 1000 Å dicke Schicht 162 aus Siliziumoxid abgelagert, wobei das Substrat auf 200ºC gehalten wird.
In Fig. 30 ist der Zustand des Wafers nach dem Bilden der oberen Elektrode dargestellt. Die obere Elektrode 164 wird gebildet, indem die Form durch einen Positiv-Lack-Abhebevorgang festgelegt wird. Dann wird eine 500 Å dicke Aluminiumschicht unter Verwendung eines Raumtemperatur-Waferhalters und Elektronenstrahlverdampfung abgelagert. Dieser Ablagerung folgt das Aufdampfen von 500 Å dickem Gold unter Verwendung eines Raumtemperatur-Waferhalters. Das überflüssige Gold und Aluminium werden dann durch Eintauchen des Wafers in heißes Azeton entfernt. Der Wafer wird daraufhin in kaltem Azeton, Methanol und vollentsalztem Wasser gespült und in Stickstoffumgebung getrocknet.
In Fig. 31 ist der Wafer nach dem Mustern der Oxide dargestellt. Der erste Schritt bei diesem Vorgang ist die Zerstäubungsabscheidung von 3000 Å Titan/Wolfram unter Verwendung eines unbeheizten Waferhalters. Dann wird die Form für das Oxid in der Titan/Wolfram-Schicht festgelegt, die dann als Ätzmaske dient. Dies wird erwirkt, indem das erwünschte Muster in auf dem Titan-Wolfram deponierten Fotolack erzeugt und das Titan/Wolfram 30 min lang bei Zimmertemperatur unter Verwendung von 30% H&sub2;O&sub2; geätzt wird. Der Wafer wird dann in vollentsalztem Wasser gespült und in einer Stickstoffatmosphäre getrocknet. Das Mustern der Oxide beginnt dann mit dem Ätzen der obersten Siliziumdioxidschicht 162 unter Einsatz einer 6:1 gepufferten Oxidätzung, gefolgt von einer Spülung in vollentsalztem Wasser. Die obere Zinkoxidschicht 160 wird dann in einer aus 15 gr NaNO&sub3;1 5 ml HNO&sub3;, 600 ml H&sub2;O bestehenden Lösung geätzt, gefolgt von einer Spülung in vollentsalztem Wasser.
Die Mittelschicht 158 aus Siliziumdioxid wird dann in der gleichen Weise geätzt wie die Schicht 162 und die untere Schicht 152 aus Zinkoxid wird dann unter Verwendung der gleichen Lösungszusammensetzung geätzt, wie sie zum Ätzen der obersten Schicht 160 eingesetzt wurde. Die untere Schicht aus Siliziumdioxid 150 wird dann unter Verwendung derselben Lösungszusammensetzung wie bei den anderen Siliziumoxidschichten geätzt. Anschließend wird der Wafer in vollentsalztem Wasser gespült und dann getrocknet. Daraufhin werden 3 µm Silizium von der Oberseite des Wafers in Bereichen abgetragen, wo alle Oberschichten abgetragen wurden und das Siliziumsubstrat freiliegt. Dies wird durch ein Ätzen mit einem Plasma aus SF&sub6; und C&sub2;ClF&sub5; im Verhältnis 1:1 erwirkt. Azeton, Methanol und vollentsalztes Wasser wird dann verwendet, um den Wafer dann zu reinigen und den Fotolack zu entfernen. Die restliche Titan-Wolfram-Ätzmaske wird dann 30 min lang bei Zimmertemperatur in 30% H&sub2;O&sub2; entfernt. Dann wird der Wafer in vollentsalztem Wasser gespült und anschließend getrocknet.
Nach dem Ätzen der Oxidschichten wird das Bondinselmetall dadurch abgelagert, daß die Form durch ein Positiv-Fotolack- Abhebeverfahren festgelegt wird. Durch Aufdampfen wird dann 1 µm Aluminium abgelagert, wobei ein Zimmertemperatur-Waferhalter verwendet wird. Das überflüssige Aluminium wird dann durch Eintauchen des Wafers in heißes Azeton entfernt. Der Wafer wird anschließend in kaltem Azeton, Methanol und vollentsalztem Wasser gespült und dann getrocknet.
Dann wird die Waferseite B mit einer diamantbestückten Säge eingeritzt.
In Fig. 32 ist der Wafer nach dem Anbringen der Schattenmaske zur Spitzenbildung und der Spitzenbildung selbst dargestellt. Zuerst wird der Wafer 30 s lang durch Zerstäubung gereinigt. Dann wird ein eigener, dem Schnitt in Fig. 32 entsprechender Wafer hergestellt. Dieser Wafer weist eine Öffnung 166 auf und Ausrichtungsmarkierungen, die den Ausrichtungsmarkierungen 146 entsprechen. Der Wafer der Schattenmaske 168 wird dann auf dem Substrat 140 angebracht, wobei die Ausrichtungsmarkierungen aufeinander abgestimmt sind, so daß sich die Öffnung 166 über der gewünschten Stelle für die Spitze 169 auf der oberen Elektrode 164 befindet. Nach dem Anbringen der Schattenmaske werden durch die Öffnung 166 5 bis 10 µm des gewünschten Spitzenmaterials, z.B. Niobium oder Tantal, zum Bilden der Spitze abgelagert. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird die Anordnung von Fig. 32 an einer Vielzahl von Stellen auf dem Wafer gebildet werden, und es wird nur eine einzige Schattenmaske 168 mit einer Vielzahl von Öffnungen an allen gewünschten Spitzenpositionen für alle Ausleger verwendet werden. Schließlich wird die Schattenmaske vorsichtig entfernt, damit die Spitzen nicht beschädigt werden.
Danach werden die Ausleger über einen Teil ihrer Länge vom Substrat getrennt. In Fig. 33 ist die Anordnung nach der Durchführung dieses Schritts dargestellt. Die Trennung wird folgendermaßen ausgeführt: Zuerst das Ablagern von 10 µm Positiv-Lack auf der Seite A des Wafers, um die gerade beschriebene Anordnung zu schützen. Dann wird der Wafer einer Rückseitenätzung durch die verbleibende Siliziummembran am Grund der Vertiefung 142 unterzogen, indem die Seite B des Wafers einer Ätzung durch Plasma aus SF&sub6; und C&sub2;ClF&sub5; im Verhältnis 3:1 unterzogen wird. Die Einzelheiten dieser Ätzung sind in Anhang A festgehalten. Der Fotolack wird dann durch Azeton, Methanol und einen Lufttrocknungszyklus entfernt. Die einzelnen Stücke (Chips) werden dann durch Brechen des Wafers entlang der eingeritzten Linien voneinander abgeteilt.
Es hat sich herausgestellt, daß eine Siliziumdioxidschicht 136 ein besseres Ablagern der Aluminiumschicht 148 zur Folge hat, was auch zu einem besseren Ablagern der Zinkoxidschichten 152 und 160 führt. Dadurch können auch unter dem Ausleger Leiterpfade gebildet werden, ohne daß sie vom Metall der Schicht 148 kurzgeschlossen werden. Die Siliziumschichten 150 und 158 führen zu einem besseren Ablagern der Zinkoxidschichten 152 und 160. Durch die Siliziumdioxidschichten 154 und 162 werden mechanische Spannungen im Ausleger ausgeglichen, die durch die Ablagerungsprozesse bei der Auslegerbildung entstehen können. Das heißt, daß die gleichen Belastungen in den Siliziumdioxidschichten 154 und 162 bei ihrer Ablagerung entstehen wie die, die bei der Ablagerung der Siliziumdioxidschichten 150 und 158 entstehen. Dementsprechend sind die mechanischen Spannungen ausgeglichen. Die die Elektrodenpaare trennenden Siliziumdioxidschichten erhöhen auch die Durchbruchspannung. Bei alternativen Ausführungsformen können die Siliziumdioxidschichten weggelassen werden oder es können stattdessen andere Materialien verwendet werden.
Das gerade beschriebene bevorzugte Verfahren kann sowohl zur Herstellung eines "einarmigen" als auch eines "zweiarmigen" piezoelektrischen Wandlers eingesetzt werden. Der Hauptunterschied zwischen diesen beiden verschiedenen Anordnungen liegt in der Zahl der Elektrodenpaare, die innerhalb eines jeden integrierten Auslegers ausgebildet werden. In der einarmigen Bimorphversion müssen mindestens vier Elektrodenpaare ausgebildet sein, um Bewegungen in drei Achsen zu erzielen. Wenn die einarmige Version in einem Raster-Tunnelmikroskop verwendet werden soll, müssen 6 Elektrodenpaare ausgebildet werden, damit eine elektrische Verbindung zur Spitze hergestellt werden kann und die von dieser Spitzenelektrode erzeugten zufälligen Piezoeffekte aufgehoben werden können. Bei einem zweiarmigen Wandler müssen auf jedem Arm nur zwei Elektrodenpaare ausgebildet werden. Offensichtliche Abwandlungen des oben beschriebenen Verfahrens für die Schritte zur Bildung der oberen Elektrode 148 und der unteren Elektrode 164 können abhängig von der Art des herzustellenden integrierten piezoelektrischen Wandlers vorgenommen werden.
In Fig. 34(a) und (b) bis 36(a) und (b) sind die Bewegungen dargestellt, die mit einem einarmigen integrierten piezoelektrischen Wandler mit der in Fig. 10 dargestellten Elektrodenanordnung erzielt werden können. Die mit (a) und (b) bezeichneten Darstellungen zeigen jeweils die positive und negative Bewegung entlang der entsprechenden Achse. In Fig. 37(a) und (b) ist die Art von Drehbewegung dargestellt, die bei Ausführungsformen mit zwei Spitzen erzielt werden kann, damit jede Spitze eine unabhängige Z-Achsenbewegung aufweist. Die Spitzen bewegen sich zusammen entlang der Y- und der X- Achse.
Es folgen typische Leistungsparameter. Wenn man eine zweiarmige Anordnung betrachtet mit 1 µm dicken Aluminiumelektroden und 2 µm dicken Zinkoxidschichten, und Armen, die jeweils 1000 iun lang und 100 µm breit sind, dann wird sich die Spitze der Zweiarmstruktur um 20 µm/V in der X- und Y-Achse und um 0,6 µm/V in der Z-Achse bewegen lassen. Die Durchbruchspannung beträgt dann 30 V und die abzutastende Fläche hat eine Abmessung von 600 x 600 Å oder 360.000 Å². Wenn man einen einarmigen Auslegerbimorph mit den in diesem Abschnitt angegebenen Abmessungen betrachtet, können in der X-Achse Bewgungen von 200 Å/V und in der der Y-Achse 20 Å/V erzielt werden. Eine Bewegung von 0,6 Å/V in der Z-Achse ist möglich. Dadurch ist die abzutastende Fläche beim einarmigen Bimorph um 10 mal größer als bei der Zweiarmanordnung, da die X-Achsen-Bewegung pro Volt um 10 mal größer ist. Der Aufbau des Bimorph muß so beschaffen sein, daß die Spitze für STM-Anwendungen in den Tunnelbereich der Leiterfläche bewegt werden kann.
Eine Aufgabe der Erfindung ist, die Speichereinheit auf Abmessungen zu begrenzen, die unter denen liegen, die bei Magnetband-Speichereinheiten möglich sind. Bei einem System nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ist die Speichereinheit so klein, daß die gesamte Kombination der CCD-Anordnung, Analog-Digital-Konverter, Speichereinheit und damit verbundene Steuerelektronik in das Gehäuse einer 35-mm-Kamera passen. Der photographische Film wird durch eine Speichereinheit ersetzt mit einer Kapazität, die ausreicht, um eine Anzahl von Bildern zu speichern, die denen ähnlich sind, die bisher auf photographischem Film gespeichert wurden. Dann werden die Bilder auf einem herkömmlichen Videorekorder abgespielt als Alternative zum Entwickeln des Films, wie das in herkömmlichen Systemen gemacht wird.
In Fig. 38 ist als Diagramm ein System 200 dargestellt, das aus den folgenden Elementen besteht: ein herkömmliches Linsensystem 202 zum Fokussieren des optischen Bildes auf eine CCD-Anordnung 204; das zweidimensionale CCD zum Umwandeln des optischen Bildes in eine lineare Abfolge elektrischer Signale, ein herkömmlicher Analog-Digital-Konverter 206 zum Konvertieren der elektrischen Signale in eine Folge digitaler Impulse, und eine Speichereinheit 208.
Die Speichereinheit ist die neue Eigenschaft dieser Erfindung. Auf diese Komponente soll eingegangen werden. Eine digitale Speichereinheit des beabsichtigten Typs ist mit dem Mikro-STM möglich - ein Raster-Tunnel-Mikroskop, das zu dem Grad miniaturisiert ist, daß es auf einem einzigen oben beschriebenen Siliziumchip Platz hat. Diese Vorrichtung soll nicht für die Bilderfassung sondern zum "Schreiben" und "Lesen" digitaler Information auf der Oberfläche eines geeigneten Substrats verwendet werden. Ein Bit wird auf einer Fläche mit einer Kantenlänge von 10 nm gespeichert. Die Bilder, die gespeichert werden sollen, können als ein Rahmen von Pixels beschrieben werden - 512 x 512 -, wobei jeder Pixel aus 8 Bits Information besteht. Zum Speichern eines Bildes wird eine Speichereinheit benötigt, die 262.144 Bytes Information speichern kann. Jedes Byte besteht aus 8 Bits, daher müssen 2.097.152 Bits gespeichert werden. Es muß daher eine Kapazität zum Speichern eines quadratischen Felds bereitgestellt werden, die 1.448 Bits auf jeder Seite hat, das heißt ungefähr 1.500 Bits auf jeder Seite. Die Bits liegen in der Mitte von der Fläche von 10 nm (100 nm²), das heißt ein quadratisches Feld von 1.500 Bits benötigt eine Fläche von 15 µm x 15 µm. Diese Fläche ist beträchtlich kleiner als die Größe des für das Mikro-STM verwendete Silizium-Chip, der 2 mm auf jeder Seite mißt. Daraus folgt, daß ein Mikro-STM zum Schreiben und Lesen eines optischen Bildes verwendet werden kann. Ein Feld aus 5 x 5 Mikro-STM-Elementen wird zum Speicher von 25 Bildern verwendet - eine Anzahl, die nicht wesentlich von der auf einer normalen Filmrolle vorhandenen Anzahl abweicht. Eine Speichereinheit besteht aus einem Feld von STMs auf einem herkömmlichen Substrat, das im Durchmesser typischerweise 1 cm mißt.
Dieser physikalische Mechanismus zum Speichern digitaler Information auf einem Substrat kann verschiedene Formen annehmen. Alle diese Formen werden gerade in Forschungslaboratorien entwickelt. Alle verwenden STM oder AFM zum Schreiben oder Lesen. Diese enthalten die folgenden:
(1) Speicherung von Ladung in Trapzentren in dünnen dielektrischen Filmen, analog zum Speichermechanismus herkömmlicher Halbleiterspeicher.
(2) Speicherung von Information in der Form von Mikro-Domänen in magnetischen Filmen, wobei die Information durch spinabhängiges Tunneln gelesen wird.
(3) Schreiben durch Ablagern atomarer Spezies auf dem Substrat in von der Spitze gesteuerter Weise. Dies kann verschiedene Formen annehmen:
a) Abscheidung aus einem organo-metallischen Dampf, wobei die Energie zur Zerlegung des Dampfes von den Tunnel-Elektronen kommt;
b) Elektrobeschichten eines kleinen Bereiches unter Verwendung des elektrischen Feldes der Spitze, um von einem Elektrolyt aus Ionen auf einem geeigneten Substrat abzulagern;
c) Ablagern eines geeigneten Dampfes, wie z.B. Phenyl, oder Polymerisation desselben auf dem Substrat;
d) Entwickeln eines dünnen Fotolacks, wie z.B. PMMA, mit Elektronen von einer Spitze;
e) Manipulation einzelner Atome auf einem Germaniumsubstrat;
f) direkte Markierung, oder Verformung, einer Goldoberfläche, wobei STM in ein Isolieröl oder -fett getaucht ist, um eine Spitzen-Spannung von 3 V zu ermöglichen, was stark genug ist, um auf der Goldoberfläche einen Abdruck zu hinterlassen, so daß der Abdruck durch Abtasten des Bereichs mit viel kleinerer Spannung an der Spitze gelesen werden kann.
Ein Raster-Kraft-Mikroskop - auf die gleiche Weise konstruiert wie das Mikro-STM - wird auch dazu verwendet Mikro-Domänen in magnetischen Substraten zu erzeugen und dann zu lesen.
In Fig. 39 ist ein System 210 dargestellt, das eine Anzahl von Aufzeichnungsflächen aufweist (als Beispiel: 212) und eine Anzahl piezoelektrischer bimorpher Ausleger (als Beispiel: 214), die Speicherblöcke oder Informations-Speichervorrichtungen bilden. Ein Steuersystem 216 umfaßt Schaltungen zum Steuern der Stellung der Spitzen der Auslegerarme beim Abtasten der Oberfläche einer Aufzeichnungsfläche. Außerdem sind Schaltungen vorgesehen, um Information an die Aufzeichnungsoberflächen zu schreiben oder von diesen zu lesen. Information wird über eine Eingangs-Schnittstellenschaltung 218 von Sensor-Einrichtungen 220 eingegeben. Die Sensoren weisen z.B. Ladungs-Steuerungs-Einrichtungen (Charge Control Devices: CCD) auf. Die Eingangs-Schnittstellenschaltung 218 umfaßt einen Analog-Digital-Konverter zum Konvertieren der analogen CCDAusgangssignale in digitales Format. Eine Ausgangs-Schnittstellenschaltung 222 ist zur Digital-Analog-Konversion gespeicherter digitaler Signale in für die Anzeige geeignete Form oder zur Steuerung eines weiteren Geräts vorgesehen.
In Fig. 40 ist eine Ausführungsform eines Bild-Erfassungssystems 230 dargestellt, das auf einem Substrat 232 angeordnet ist, das z.B. ein Siliziumsubstrat ist. Bild-Sensoren 234 werden auf dem Substrat ausgebildet. Eine Anzahl aus Mikrominiatur-Raster-Tunnel-Mikroskopen gebildeter Block- Speicher-Zellen 236 werden in parallelen Reihen auf dem Substrat angeordnet. Jeder Gruppe von Speicherzellen sind Verstärker (als Beispiel: 238) zugeordnet. Zum Steuern des Lese/Schreib-Betriebs und zum Abtasten der Auslegerspitzen über die Speicher-Oberflächen sind Steuerschaltungen 240 auf dem gleichen Substrat vorgesehen.
In Fig. 41 ist eine Ausführungsform eines Systems dargestellt, bei dem die Bestandteile an einem einzigen Substrat ausgebildet oder angebracht sind. Verschiedene Kleinmen 242 sind vorgesehen zum Zu- oder Ableiten von Eingangs- bzw. Ausgangsinformation von z.B. den Sensoren 220 und Anzeigeoder Steuer-Vorrichtungen 224 von Fig. 39, bzw. an diese.

Anhang A (4 Seiten)

Bevorzugtes planares STM-Verfahren

1. Beschreibung der Maskenmaterialien
1.a Säubening des 380 µm dicken Wafers durch herkömmliches Säure-Reinigungsmittel***
1.b Thermisches Aufdampfen von 5000 Å SiO&sub2;
1.c Ablagern von 1000 Å Si&sub3;N&sub4; unter Verwendung von LPCVD
2. Ätzen von KOH-Vertiefüngen von der Rückseite (rauhe Oberfläche, Seite B)
2.a Festlegen der KOH-Rechtecke unter Verwendung der Maske Nr. 1 und Negativ-Fotolack
2.b Sauerrstoffplasma* 1 min zum Säubern der Öffnungen
2.c Ätzen von Si&sub3;N&sub4; unter Verwendung von Plasma aus SF&sub6; und F13B1 (im Verhältnis 1:1)
2.d Ätzen der SiO&sub2;-Schicht unter Verwendung einer abgepufferten Oxidätzung (BOE)
2.e Fotolack entfernen und Wafer reinigen**
2.e Ätzen von 340 µm Silizium von der Rückseite unter Verwendung von 30% KOH bei 80ºC
2.f Wafer spülen unter Verwendung von H&sub2;O:HCl-Lösung (Mischungsverhältnis 10:1)
2.g Spülen in vollentsalztem Wasser (DI) dann Trocknen in N&sub2;
3. Ätzen der Ausrichtungsmarkierungen auf der Vorderseite (polierte Seite, Seite A)
3.a Verwendung von Maske Nr. 2 und von Positiv-Fotolack, Festlegen der Ausrichtungsmarkierungen
3.b 1 min Sauerstoffplasma* zum Säubern der Öffnungen
3.c Ätzen von Si&sub3;N&sub4; unter Verwendung von Plasma aus SF&sub6; und F13B1 (Mischungsverhältnis 1:1)
3.d Ätzen der SiO&sub2;-Schicht unter Verwendung einer gepufferten Oxidätzung (BOE)
3.e Spülen in DI dann Trocknen in N&sub2;
3.f Ätzen von 3 µm von Si unter Verwendung eines Plasmas aus SF&sub6; und C&sub2;ClF&sup5; (Mischungsverhältnis 1:1)
3.g Säuberung des 380 -m dicken Wafers durch herkömmliches Säure-Reinigungsmittel (Entfernen des Lacks)**
3.h Entfernen von Si&sub3;N&sub4; unter Verwendung von konzentriertem HPO&sub4; bei 165ºC, 1h
3.i Spülen in DI dann Trocknen in N&sub2;
4. Ablagern der unteren Elektroden
4.a Festlegen der Form unter Verwendung von Maske Nr. 3, Positiv-Lacks und Abhebeverfahren
4.b Aufdampfen von 1000 Å Al unter Verwendung von Zimmertemperatur- Waferhalter
4.c Abheben überflüssigen Al durch Tauchen des Wafers in heißes Azeton
4.d Spülen des Wafers in kaltem Azeton, Methanol und DI, dann Trocknen in N&sub2;
5. Ablagern der unteren Oxide
5.a Zerstäubungsreinigen der Oberfläche, 30 sec.
5.b Aufdampfen von 1000 Å Al, wobei das SiO&sub2;-Substrat auf 200ºC erwärmt ist
5.c Zerstäubungsablagern von 2 µm ZnO unter Verwendung eines Zn-Targets in einem Gas aus O&sub2; und Ar (Mischungsverhältnis 5:1; Druck 30mTorr), Substrat auf 300ºC
5.d Aufdampfen von 1000 Å Al, wobei das SiO&sub2;-Substrat auf 200ºC erwärmt ist
6. Ablagern der Mittelelektroden
6.a Festlegen der Form unter Verwendung von Maske Nr. 4, Positiv-Lack und Abhebeverfahren
6.b Aufdampfen von 1000 Å Al unter Verwendung von Zimmertemperatur- Waferhalter
6.c Abheben überflüssigen Al durch Tauchen des Wafers in heißes Azeton
6.d Spülen des Wafers in kaltem Azeton, Methanol und DI, dann Trocknen in N&sub2;
7. Ablagern der oberen Oxide
7.a Zerstäubungsreinigen der Oberfläche, 30 sec.
7.b Aufdampfen von 1000 Å Al, wobei das SiO&sub2;-Substrat auf 200ºC erwärmt ist
7.c Zerstäubungsablagern von 2 µm ZnO unter Verwendung eines Zn-Targets in einem Gas aus O&sub2; und Ar (Mischungsverhältnis 5:1; Druck 30mTorr), Substrat auf 300ºC
7.d Aufdampfen von 1000 Å Al, wobei das SiO&sub2;-Substrat auf 200ºC erwärmt ist
8. Ablagern der oberen Elektroden
8.a Festlegen der Form unter Verwendung von Maske Nr. 5, Positiv-Lack und Abhebeverfahren
8.b Aufdampfen von 500 Å Al unter Verwendung von Zimmertemperatur- Waferhalter
8.c Aufdampfen von 500 Å Au (Gold) unter Verwendung von Zimmertemperatur- Waferhalter
8.d Abheben überflüssigen Al und Au durch Tauchen des Wafers in heißes Azeton
8.e Spülen des Wafers in kaltem Azeton, Methanol und DI, dann Trocknen in N&sub2;
9. Mustern des ZnO
9.a Zerstäubungsablagern von 3000 Å Ti/W unter Verwendung von Zimmertemperatur-Waferhalter
9.b Festlegen der Form unter Verwendung von Maske Nr. 6 und Positiv-Lack
9.c Mustern des TiiW unter Verwendung von 30% H&sub2;O&sub2;, 30 min bei Zimmertemperatur
9.d Spülen in DI dann Trocknen in N&sub2;
9.e Ätzen der obersten Schicht SiO&sub2; unter Verwendung von BOE (6:1)1 min. lang, Spülen in DI
9.f Ätzen des oberen ZnO in der folgenden Lösung: 15 g NaNO&sub3;, 5 ml HNO&sub3;, 600 ml H&sub2;O, Spülen in DI
9.g Ätzen der Mittelschicht SiO&sub2; unter Verwendung von BOE (6:1) 2 min. lang, Spülen in DI
9.h Ätzen des unteren ZnO in der folgenden Lösung: 15 g NaNO&sub3;, 5 ml HNO&sub3;, 600 ml H&sub2;O, Spülen in DI
9.i Ätzen der Mittelschicht SiO&sub2; unter Verwendung von BOE (6:1)1 min. lang
9.j Spülen in DI dann Trocknen in N&sub2;
9.k Ätzen von 3 µm von Si unter Verwendung eines Plasmas aus SF&sub6; und C&sub2;ClF&sub5; (Mischungsverhältnis 1:1)
9.1 Reinigen des Wafers, Entfernen des Lacks in kaltem Azeton, Methanol und DI,
9.m Entfernen des Ti/W unter Verwendung von 30% H&sub2;O&sub2;, 30 min bei Zimmertemperatur
9.n Spülen in DI dann Trocknen in N&sub2;
10. Ablagern des Bondinselmetalls
10.a Festlegen der Form unter Verwendung von Maske Nr. 7, Positiv-Lack und Abhebeverfahren
10.b Aufdampfen von 1,0 µm Al unter Verwendung von Zimmertemperatur- Waferhalter
10.c Abheben überflüssigen Al durch Tauchen des Wafers in heißes Azeton
10.d Spülen des Wafers in kaltem Azeton, Methanol und DI, dann Trocknen in N&sub2;
11. Einritzen der Wafer auf Seite B unter Verwendung der Säge
12. Ablagern der Spitzen
12.a Zerstäubungsreinigen der Oberfläche, 30 sec.
12.b Anbringen der der Schattenmaske auf dem Wafer, Ausrichten nach der Form unter Verwendung des aus dem Muster aus M/ZnO/Al/ZnO/Au bestehenden 'Schlüssels'
12.c Ablagern von 5-10 µm Niobium, Bilden scharfer Spitzen
12.d Vorsichtig die Schattenmaske entfernen, ohne Beschädigen der Spitzen
13. Trennen der Ausleger vom Substrat
13.a Ablagern einer Schicht von 10 µm Positiv-Lacks auf der Seite A
13.b Atzen durch die Si-Membran von Seite B aus unter Verwendung von Plasma aus SF&sub6; und C&sub2;ClF&sub5; (Mischungsverhältnis 3:1)
13.c Entfernen des Fotolacks in Azeton und Methanol, Lufttrocknen
14. Trennen der Stücke (oder "Chips") voneinander durch Brechen des Wafers entlang der eingeritzten Linien
* Alle Plasmaätzungen werden, wenn nicht anders festgelegt, unter Zuführ von 500 W 1eistung bei 200 mTorr Dick, 6 min lang durchgeführt.
** Übliches Reinigungsverfahren zum Entfernen des Negativ-Lacks
**a. Kräffig schötLeln in 120ºC 10:1 H&sub2;SO&sub4;:H&sub2;O&sub2;, 20 min lang
**b. Spülen in DI
**c. Tauchen in 4:1:1 H&sub2;O:H&sub2;SO&sub4;:H&sub2;O&sub2; bei 90ºC, 20 min lang
**d. Spülen in DI, dann Trocknen in N&sub2;
*** Übliches Reinigen vor der Oxidation
***a. Obenstehendes Reinigungsverfahren durchführen (** Übliches Reinigungsverfahren zum Entfernen des Negativ-Lacks
***b. Tauchen in 10:1:1 H&sub2;O:HCl:H&sub2;O&sub2;, bei 90ºC, 20 min lang
***c. Spülen in DI
***d. Tauchen in 10:1:1 H&sub2;O:NH&sub4;OH:H&sub2;O&sub2;, bei 90ºC, 20 min lang
***e. Spülen in DI
***f. Tauchen in 50:1 BOE, 30 Sek. bei 23 ºC (Umgebungstemperatur)
***g. Spülen in DI, dann Trocknen in N&sub2;

Claims

1. Integrierte Speichervorrichtung mit

einem Aufzeichnungsmedium mit einer Aufzeichnungsoberfläche (84, 212) zum Speichern von Information an verschiedenen Stellen auf der Aufzeichnungsoberfläche (84, 212); einem Substrat (32, 92, 140);

einem Auslegerarm (214), der an einem Ende von dem Substrat (32, 92, 140) getragen wird und der ein freies Ende mit einer daran befestigten Spitze (66, 114, 169) aufweist;

einer Steuereinrichtung (216) zum Steuern der Bewegung des Auslegerarms (214), um die Spitze (66, 114, 169) an den verschiedenen Stellen in den Tunnelbereich der Aufzeichnungsoberfläche (84, 212) zu bringen; und

einer Zugriffseinrichtung (216) zum Zugreifen auf die verschiedenen Stellen auf der Aufzeichnungsoberfläche (84, 212), um Information davon abzurufen oder darin einzulesen;

dadurch gekennzeichnet,

daß der Auslegerarm (214) einen in drei Achsrichtungen bewegbaren piezoelektrischen, bimorphen Ausleger aufweist mit zwei Schichten piezoelektrischen Materials (42, 46) und Elektroden (36, 38, 40, 44, 48, 50, 52) zum Erzielen einer Bewegung der Spitze (66, 114, 169) in drei Achsrichtungen;

daß die Steuereinrichtung (216) eine Einrichtung zum Anlegen von Spannungspotentialen an die Elektroden (36, 38, 40, 44, 48, 50, 52) des bimorphen Auslegers aufweist, damit die Spitze (66, 114, 169) über die Aufzeichnungsoberfläche bewegt werden kann; und

daß das Substrat (32, 92, 140) und die Aufzeichnungsoberfläche (84, 212) in fester Beziehung zueinander angeordnet sind.

2. Integrierte Speichervorrichtung nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet

daß der bimorphe Ausleger (214) eine erste Anzahl von Elektroden (36, 38, 40) , eine zweite Anzahl von Elektroden (48, 50, 52), zwei Schichten piezoelektrischen Materials (42, 46) , die zwischen den beiden Elektrodengruppen in Sandwichformation angeordnet sind, und eine Elektrode (44) aufweist, die zwischen zwei Schichten piezoelektrischen Materials in Sandwichformation angeordnet ist, wobei sich der bimorphe Ausleger auf an die Elektroden (36, 38, 40, 44, 48, 50, 52) angelegte Potentiale bewegt.

3. Integrierte speichervorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der bimorphe Ausleger (214) als auch das Aufzeichnungsmedium auf dem Substrat angebracht sind.

4. Integrierte Speichervorrichtung nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, weiter dadurch gekennzeichnet,

daß das Substrat (82) einen darin ausgebildeten Hohlraum (86) aufweist und sich die Aufzeichnungsoberfläche (84) in diesem Hohlraum (86) befindet; daß der bimorphe Ausleger im Verhältnis zum Substrat (82) so angeordnet ist, daß der bimorphe Ausleger in allen drei Achsenrichtungen Bewegungsfreiheit hat; und daß die Aufzeichnungsoberfläche (84) so nahe an die Spitze (66) herangebracht ist, daß der Bewegungsbereich des bimorphen Auslegers ausreicht, um die Spitze (66) auf eine Entfernung von 10 Ångström von der Aufzeichnungsoberfläche (84) zu bringen.

5. Integrierte Speichervorrichtung nach den Ansprüchen 2, 3 oder 4, weiter dadurch gekennzeichnet,

daß die Zugriffseinrichtung (216) eine Einrichtung zum Leiten von elektrischen Signalen an die Spitze (66, 114, 169) aufweist, damit zwischen der Spitze (66, 114, 169) und der Aufzeichnungsoberfläche (84, 212) ein Tunnelstrom fließen kann; und

daß die Aufzeichnungsoberfläche (84, 212) einen dielektrischen Film zum Speichern von Haftladung aufweist.

6. Integrierte Speichervorrichtung nach den Ansprüchen 2, 3 oder 4, weiter dadurch gekennzeichnet,

daß die Zugriffseinrichtung (216) eine Einrichtung zum Leiten von elektrischen Signalen an die Spitze (66, 114, 169) aufweist, damit ein Tunnelstrom zwischen der Spitze (66, 114, 169) und der Aufzeichnungsoberfla-che (84, 212) fließen kann; und

daß die Aufzeichnungsoberfläche (84, 212) einen Magnetfilm zum Speichern von Information aufweist.

7. Integrierte Speichervorrichtung nach den Ansprüchen 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet,

daß die Steuereinrichtung (216) und die Zugriffseinrichtung (216) den piezoelektrischen, bimorphen Ausleger (214) als atomaren Kraftfühler betreiben.

8. Integrierte Speichervorrichtung nach den Ansprüchen 2, 3, 4, 5 oder 6, weiter dadurch gekennzeichnet,

daß die Zugriffseinrichtung (216) eine Einrichtung zum Einlesen der in jedem der vielen Speicherplätze gespeicherten Information aufweist und eine Einrichtung zum Abrufen der in jedem dieser vielen Speicherplätze gespeicherten Information; wobei die Einrichtung zum Einlesen, die Einrichtung zum Abrufen und das Aufzeichnungsmedium auf dem Substrat angeordnet sind.

9. Integrierte Speichervorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch

eine Ausgangssignale erzeugende Bild-Erfassungseinrichtung (202, 204) und

eine Einrichtung (206) zum Digitalisieren der Ausgangssignale der Bild-Erfassungseinrichtung (202, 204) und zum Übertragen der digitallisierten Ausgangssignale an die Einrichtung zum Einlesen.

10. Integrierte Speichervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet

durch eine Anzahl von Aufzeichnungsoberflächen und eine gleiche Anzahl von bimorphen Auslegern (214) zum gleichzeitigen Abtasten von Speicherplätzen auf den Aufzeichnungsoberflächen.

11. Integrierte Speichervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet,

daß der bimorphe Ausleger (214) zwei piezoelektrische bimorphe Ausiegerarrne aufweist mit voneinander entfernt angeordneten festen Enden und entsprechenden zweiten Enden, die miteinander verbunden sind, wobei die Spitze (114) nahe bei der Stelle angeordnet ist, an der die beiden zweiten Enden miteinander verbunden sind.