DE69023347T2

DE69023347T2 - Integriertes Rastertunnelmikroskop mit pneumatischer und elektrostatischer Steuerung und Verfahren zum Herstellen desselben.

Info

Publication number: DE69023347T2
Application number: DE69023347T
Authority: DE
Inventors: Johann Dr. W-7401 Pliezhausen 1 Greschner; Martin Dr. W-7036 Schoenaich Nonnenmacher; Olaf Dr. W-7042 Aidlingen 3 Wolter
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1990-12-21
Filing date: 1990-12-21
Publication date: 1996-05-30
Anticipated expiration: 2010-12-22
Also published as: DE69023347D1; EP0491973B1; EP0491973A1; JP2819518B2; JPH04296604A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines integrierten Rastertunnelmikroskops und spezieller auf eine pneumatisch und elektrostatisch angetriebene Version desselben.
Ein Rastertunnelmikroskop (RTM) rastert mit einer leitfähigen Spitze die Oberfläche einer Probe in sehr enger Beziehung zu einer leitfähigen Oberfläche ab, d.h. innerhalb eines Abstands der Durchmesser einiger Atome (ungefähr innerhalb 0,5 nm). Unter diesen Bedingungen fließt ein Tunnelstrom zwischen der Spitze und der Oberfläche, das heißt, die Wahrscheinlichkeitsdichte- funktion von Elektronen für Atome in der Spitze überlappt sich räumlich mit der Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion von Elektronen für Atome auf der Oberfläche. Als Folge tritt ein Tunneln in Form eines Stromflusses von Elektronen zwischen der Spitze und der Oberfläche auf, wenn eine (geeignete Vorspannung zwischen diesen zwei Leitern angelert wird. Typischerweise liefern für einen Abstand der Spitze zur Probe von einigen nm 100 Millivolt Vorspannung einen Strom von Nanoampere.
Rastertunnelmikroskope wurden zuerst von Binnig und Rohrer gehaut (IBM J. RES. DEVELOP., BD. 30, NR. 4, JULI 1986, Seiten 355 bis 369, C. Binnig und H. Podrer, "SCANNING TUNNELING MICROSCO- PY", und IBM TECHNICAL DISCLOSURE BULLETIN, BD. 27, NR. 10B, MÄRZ 1985, Seiten 5976 bis 5977, G. Binnig et al. "FAST SCAN PIEZO DRIVE"). Das dort beschriebene Rastertunnelmikroskop verwendet ein piezoelektrisch Dreibein. Dieses Dreibein besteht aus 3 piezoelektriscben Stäbchen aus Material, die an einer Verbindung zusammengefügt sind; jedes Stäbchen dehnt sich und zieht sich entlang einer der Achsen des kartesischen Koordinatensystems zusammen. Die Spitze ist an der Verbindung der 3 Stäbchen angebracht. Die Spitze wird durch eine Einrichtung zum groben Positionieren in die Nähe der Oberfläche gebracht. Danach werden die piezoelektrischen Dreibeine verwendet, um die Spitze abrasternd über die Oberfläche hinweg zu führen und so eine Abbildung dieser Oberfläche zu gewinnen.
Es gibt eine Referenz, die ein Verfahren zur Herstellung eines integrierten Rastertunnelmikroskops angibt. Diese Referenz ist das am 3. April 1990 erteilte US-Patent 4 912 822 basierend auf Ser. Nr. 348 707, die eine Teilanmeldung der Ser. Nr. 149 236 darstellt. Dieses Patent beschreibt ein integriertes Tunnelmikroskop und einen integrierten piezoelektrischen Wandler sowie Verfahren zum Herstellen der beiden. Die Vorrichtung besteht aus ein- oder zweiarmigen piezoelektrischen, bimorphen Auslegern, die durch Mikrofertigung unter Verwendung von üblichen Prozeßschritten für integrierte Schaltkreise erzeugt werden. Diese Ausleger sind an einem Gebiet an dem Substrat befestigt und sind unter dem Einfluß von piezoelektrischen Kräften frei beweglich, die durch die Anwendung von geeigneten Spannungen verursacht werden 81 die durch einen Steuerschaltungsaufbau erzeugt und an Elektrodenpaare, die als ein integraler Teil der bimorphen Auslegerstruktur ausgebildet sind, angelegt werden. Die durch die Steuerspannungen verursachten elektrischen Felder bewirken, daß sich die piezoelektrischen dimorphen Strukturen in jeder beliebigen gewünschten Weise innerhalb von Bereichen bewegen, die durch den Aufbau festgelegt sind. Die bimorphen Ausleger weisen Spitzen mit sehr spitz zulaufenden Enden auf, die durch Abscheiden eines leitfähigen Materials mittels Aufdampfen durch eine Lochmaske hindurch auf denselben erzeugt werden. Die Spitzen werden durch die Wirkung des Steuerschaltkreises und der piezoelektrischen bimorphen Strukturen so bewegt, daß sie innerhalb eines sehr kleinen Abstands zu einer leitenden Oberfläche bleiden. Alle RTMS, die durch piezoelektrische Materialien gesteuert werden, weisen den Nachteil eines Hysterese-Effektes auf, der für eine hohe absolute Genauigkeit nicht ideal ist.
Es gibt eine Referenz, die eine integrierte Form eines Rastertunnelmikroskops angibt, bei dem alle Bewegungen in der x-, y- und z-Richtung unter der Steuerung von elektrostatischen Kräften stattfinden. Diese Referenz ist EP-A-0 194 323, wobei die Patentschrift am 2. August 1989 auf der Grundlage der am 7. März 1985 eingereichten europäischen Patentanmeldung 85102554.4 veröffentlicht wurde. Dieses Patent beschreibt ein Rastertunnelmikroskop, das auf einem Halbieiterchip integriert ist, in den Schlitze geätzt sind, um einen Mittelbereich zu bilden, der durch ein erstes Streifenpaar an einen Zwischenbereich gekoppelt ist, der wiederum durch ein zweites Streifenpaar an den Hauptkörper des Chips gekoppelt ist. Die Schlitze sind so geätzt, daß sie sich in zueinander orthogonalen Richtungen erstrecken, um dem Mittelbereich zu erlauben, Bewegungen in der und der y-Richtung unter der Steuerung von elektrostatischen Kräften durchzuführen, die zwischen den durch die Schlitze und ihre gegenüberliegenden Wände festgelegten Streifen erzeugt werden. Auf dem Mittelbereich ist eine vorstehende Spitze ausgebildet, die mittels elektrostatischer Kräfte in der z-Richtung bewegt werden kann. Es ist äußerst schwierig, das in dem ehen zitierten europäischen Patent beschriebene integrierte RTM erfolgreich herzustellen. Des weiteren ist das integrierte RTM aus einem Matenalstück in einer Weise gefertigt, daß die x-, y- und z-Bewegungen nicht voneinander entkoppelt sind und daher für eine Spitzenbewegung mit maximaler Genauigkeit nicht ideal sind.
Somit ist ein Bedarf nach einer integrierten Version des Rastertunnelmikroskops unter Verwendung pneumatischer und elektrostatischer Kräfte zum Bewegen der Spitze entstanden, die unter Verwendung von Herstellungsprozessen für integrierte Halbleiterschaltkreise auf einfache Weise gefertigt werden kann.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Rastertunnelmikroskop gemäß den Ansprüchen 1 bis 8 erfüllt. Die Erfindung umfaßt auherdem zwei bevorzugte Verfahren zur Herstellung von Rastertunnelmikroskopen gemäß der Erfindung.
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Fig. 1; 2A, 2B; 3A bis 3G; und 4A bis 4E im Detail beschrieben.
Fig. 1 ist ein Schaubild eines typischen Rastertunnelmikroskops.
Fig. 2A ist eine Querschnittsansicht eines Rastertunnelmikroskops gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2B ist eine Draufsicht von oben auf den oberen Teil des RTMS von Fig. 2A.
Fig. 3A bis 3G sind Querschnittsansichten von Zwischenstufen in einem ersten Verfahren zur Herstellung einer bevorzugten Struktur für ein Rastertunnelmikroskop gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung.
Fig. 4A bis 4E sind Querschnittsansichten von Zwischenstufen in einem zweiten Verfahren zur Herstellung einer bevorzugten Struktur für ein Rastertunnelmikroskop gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung.
Fig. 1 stellt ein Rastertunnelmikroskopsystem dar. In Fig. 1 wird eine leitfähige Oberfläche (1) mit topographischen Strukturen (2) und (4) etc. durch eine leitfähige Spitze (6) abgerastert. Diese Spitze ist an ihrem spitzen Ende sehr schmal und endet am spitzen Ende (8) vorzugsweise in einem einzelnen Atom. Das spitze Ende (8) wird durch einen elektrostatischen Wandler (10) dadurch abrasternd über die leitfähige Oberfäche (1) geführt, daß eine Mehrzahl von Abrasterungslinien in der x-y-Ebene definiert wird. Der Wandler (10) bewegt außerdem die Spitze entlang der z-Achse vor und zurück, während die Spitze in der x-y- Ebene ebrasternd geführt wird, um einen relativ konstanten Abstand zwischen dem Spitzeneode (8) und dem obersten Teil der topographischen Struktur einzuhalten, über die die Spitze abrasternd geführt wird. Dieser Abstand beträgt üblienerweise etwa 0, 1 om bis 1 nm und muß innerhalb des Überlappungsbereiches der Wahrscheinlichkeitsdichtefonktionen der Elektronen für die Atome der Spitze und die Atome in den obersten Bereichen der topographischen Struktur liegen, über der sich die Spitze momentan abrasternd bewegt. Solange der Aldstand zwischen der Spitze und der Oberfläche innerhalb dieses Überlappungsbereiches liegt und eine Vorspannung über diesen übergang hinweg angelegt ist, fließt ein Tunneistrom, der durch den Pfeil IT symbolisiert ist, zwischen dem Spitzenende (8) und der leitfähigen Oberfläche. Die Größe des Tunnelstroms IT ist exponentiell von dem Abstand zwischen der Spitze und der Oberfläche abhängig. Die Vorspannung wird zwischen der Spitze (6) und der leitfähigen Oberfläche (1) durch eine Vorspannungsquelle (12) angelegt. Ein Stromsensor (14) erfaßt die Größe des Tunnelstroms IT und gibt auf einer Leitung (16) ein Rückkopplungssignal ab, das proportional zu der Größe des Tunnelstroms ist. Ein Regelungsschaltkreissystem (18) empfängt dieses Rückkopplungssignai und erzeugt geeignete Signale auf dem Bus (20) zum Ansteuern des elektrostatischen Wandlers, um zu bewirken, daß der elektrostalische Wandler die Spitze (6) in einer derartigen Weise bewegt, daß der Tunnelstrom IT auf einem relativ konstanten Wert qehalten wird. Das Regelsystem (18) erzeugt außerdem geeignete Signale auf dem Bus (20) zum Ansteuern des elektrostatischen Wandlers, um zu bewirken, daß die Spitze (6) über die leitfähige Oberfläche (1) hinweg abrasternd geführt wird.
Fig. 2A zeigt mechanische Details einer Rastertunnelstruktur gemäß den Lehren der Erfindung. Dieses RTM ist für die elektrostatische x-y-z-Ablenkung geeignet, wie zuvor beschrieben. Die Unterseite einer dünnen Membran (24) hält die PTM-Spitze (25). Eine metallische Beschichtung 29) ist auf der Spitze (25) und auf einem Teil eines Siliciumrahmens (21) angebracht. Eine bevorzugte Beschichtung für diesen Zweck ist eine Beschichtung aus Platin mit einer Dicke um etwa 0,1 um. Die Membran ist durch den Siliciumrahmen (21) eng an einem Glasblock (30) befestigt. Die Oberseite der Membran (24) befindet sich mehrere um unterhalb der Oberfläche des Rahmens. Zwei Paare von metallischen Elektroden X1, X2, Y1, Y2 (27, 28) sind auf dem Glasblock (30) angeordriet. Die Dicke der Elektroden liegt im Bereich von etwa 0,1 um bis 1 um und vorzugsweise von etwa 1 um. Der Glasblock (30), der typischerweise mehrere mm dick ist, ist mit Bohrungen (23) versehen. Die Bohrungen (23) können die Form von Schlitzen aufweisen, wie in der Draufsicht von oben von Fig. 2B gezeigt.
In Fig. 2A gezeigte Endstücke (32), die an dem Glasblock (30) über Dichtungen (31) befestigt sind, bilden einen Teil einer Druckerzeugungskammer (nicht gezeigt). Diese Kammer kann auch eine einen Druck unterhalb einer Atmosphäre erzeugende Vakuumkammer sein, welche die Membran mit der Spitze gegen den Glasblock bewegt. Das RTM gemäß den Fig. 3A bis 3G verwendet vorzugsweise einen Druck ≤= 1 atm, während das RTM gemäß den Fig. 4A bis 4E vorzugsweise einen Druck ≥= 1 atm verwendet. Nach der Positionierung der Spitze über einem gewünschten Bereich der zu untersuchenden Probe wird eine Grobannäherung der Spitze in z- Richtung durchgeführt. Für die grobe Bewegung der Spitze in z- Richtung wird der durch die Druckerzeugungskammer auf die Membran (24) durch die Schlitze (23) in dem Glasblock (30) angewendete Druck variiert. Während dieses Schritts wird die Spitze (25), die einen integralen Teil der Membran (24) bildet, der zu untersuchenden Probe auf einige um angenähert.
Es gibt eine Anzahl technischer Anforderungen für die Membran/Spitzen-Einheit, welche die mechanische Spannung der Membran und die Eigenfrequenz fo der Membran beinhalten. Die Steifigkeit der Membran ist für dünne Membranen vernachlässigbar. Typische Werte sind für die mechanische Spannung T = 10 N/mm² und für die Eigenfrequenz fo ≥= 10 kHz. Mechanische Spannung und fo können dadurch in erforderlicher Weise variiert werden, daß die Membran mit einem Druck beaufschlagt wird, wenn die Spitze den Substrat grob angenähert wird, wie zuvor beschrieben.
Außerdem kann während des Abrastervorgangs die Dämpfung der Membran spezifisch als Funktion der Geometrie der Umgebung, zum Beispiel als Funktion des Bohrungsdurchmessers in dem Glasblock (30), gesteuert werden.
Während der Grobannäherung wird das gesamte RTM (einschließlich der Spitze) auf mehrere um an die zu untersuchende Probenoberfläche herangeführt, wobei zum Beispiel optische Steuermittel verwendet werden. Im nicht betriebsbereiten Zustand wird eine maximale Spannung von zum Beispiel Uz = 200 v zwischen die x-y- Elektroden (27, 28) auf dem Glasblock (30) und der z-Elektrode (26) auf der Membran (24, Fig. 2A) angelegt. Dann wird für die Feinannäherung die Elektrodenspannung Uz reduziert, bis sich die Spitze (25) im Tunnelmodus befindet, von dem angenommen wird, daß er zum Beispiel bei Uz = 100 V auftritt. Der Abstand zwischen Spitze und Probe wird als Funktion der Uz-Spannung gesteuert. Für die Abrasterung mit der Spitze werden Spannungen Ux1, Ux2 beziehungsweise Uy1, Uy2 verwendet. Die x-Abrasterung wird durch Erhöhen von Ux1 und vermindern von Ux2 ausgeführt. Dies führt zu einer geringfügigen Rotationsbewegung der Membran (24) und somit zu einer abrasternden Bewegung der Spitze (25, 29). Die y-Abrasterung wird analog ausgeführt.
Die genauen Spannungskurven von Ux1, Ux2 beziehungsweise Uy1, Uy2, die eine lineare Spitzenabrasterung ergeben, müssen in einem Matrixtest bestimmt werden. Es wird darauf hingewiesen, daß Ux als ein quadratischer Wert in der Matrix auftaucht.
Die maximale x-y-Abrasterung ist in erster Linie von der Geometrie der RTM-Anordnung abhängig (Abmessung der Membran, Länge der Spitze etc.). Wenn zum Beispiel die Länge 1 der Spitze gleich der halben Seitenlänge a der Membran ist, dann ist die maximale x-Ablenkung gleich der z-Ablenkung.
Die folgende Berechnung zeigt, daß sowohl die mechanischen als auch die elektrischen Parameter der RTM-Anordnung realisierbar sind. Die Membran besitzt eine Zugspannung von T = 10 N/mm². Die Membran ist von quadratischer Form mit einer Seitenlänge a.
Die Biegewellenrate beträgt
Die Resonanzfrequenz beträgt
Die Resonanzfrequenz beträgt für eine Membrandicke d = 2 um und eine Membranseitenlänge a = 2 mm
fres ≥ 20 kHz.
Für eine Membrandicke d = 1 um und eine Membranseitenlänge a = 10 mm ist die Resonanzfrequenz noch immer
fres ≥ 4 kHz.
In diesem Fall beträgt die maximale Ablenkung Δd an einer Oberflächenladung q
Die auf die Membran ausgeübte Kraft, wenn eine Spannung U angelegt wird, führt zu einer maximalen Ablenkung (q = elektrostatische Kraft in dem Plattenkondensator)
wobei e der Abstand zwischen den Kondensatorplatten ist.
Beispiel 1:
e = 5 um
U = ± 100 V
a = 2 mm Δd = 2,6 um
T = 10 N/mm²
d = 2 um
Für eine pneumatische Ablenkung der Membran um etwa 1,3 um ist ein Druck von etwa 80 Pa notwendig.
Beispiel 2:
e = 20 um
a = 10 mm Δd = 8 um
d = 1 um
ansonsten identisch
o unter Vernachlässigung der Steifigkeit der Platte (d.h. es wird lediglich die Zugspannung der Membran betrachtet: dies ist für dünnere Membranen gültig).
o d const.
Die Berechnungen basierten auf maximalen Spannungen von etwa 200 V. Der Elektrodenabstand betrug 5 um beziehungsweise 20 um. Wenn das RTM bei normalem Luftdruck verwendet wird, muß festgestellt werden, ob ein Spannungsdurchbruch stattfindet. Die Durchbruchfestigkeit in einem herkömmlichen elektrischen Aktuator mit einem Luftspalt ist durch den elektrischen Durchbruch von Luft auf ungefähr 3 x 10&sup6; V/m begrenzt. Für 200 V und einen Spalt von 10 um wird bereits eine Druchbruchfestigkeit von 2 x 10&sup7; V/m erzielt.
Der Wert von 3 x 10&sup6; V/m gilt nicht mehr, sondern beginnt anzusteigen, wenn sich die Spaltweite einem kritischen Wert nähert. In diesem Zusammenhang siehe S. F. Bart et al. in Sensors and Actuators, 14 (1988), Seiten 269 bis 292. Für einen Spalt von 12,5 um beträgt der gegebene Wert 3,2 x 10&sup7; V/m. Weitere Werte in dieser Veröffentlichung gehen bis zu einem Maximum von 3 x 10&sup8; V/m (S. 273). Diese höheren Werte zeigen an, daß ein RTM gemäß der Erfindung realisierbar ist.
Bezugnehmend auf die Fig. 3A bis 3G ist dort ein erstes Verfahren gezeigt, das mehrere Schritte zum Herstellen eines integrierten Rastertunnelmikroskops unter Verwendung einer pneumatischen und elektrostatischen Steuerung der Spitzenbewegung in z-Richtung und einer elektrostatischen Steuerung der x- und y- Abrasterung der Spitze umfaßt. Die Herstellung beginnt mit einem Substrat (31, Fig. 3A). Dieses Substrat besteht vorzugsweise aus Silidum oder ist irgendein anderes Substrat, das zum Bilden integrierter elektronischer Schaltkreise geeignet ist. Der erste Schritt in der Fertigungsabfolge besteht im Aufbringen von Siliciumdioxidschichten (32) auf jeder Seite des Substrats (31). Es können auch Siliciumnitridschichten verwendet werden. Als nächstes wird eine Vertiefung von mehreren um Tiefe in die vorderseitige Siliciumdioxidschicht (32) und in das Substrat (31) unter Verwendung zum Beispiel von gepufferter Fluorwasserstoffsäure für Siliciumdioxid und 37,5 Gew.-% wäßriger KOH für ein Siliciumsubstrat naß- oder trockengeätzt. Die Abmessung entspricht der späteren Membrangröße (beispielsweise 2 mm Seitenlänge). Die verbliebene Siliciumdioxidschicht auf der Vorderseite wird dann entfernt. Die ebene, feingeätzte Vertiefung wird mit einer beständigen Maske (33, Fig. 38) bedeckt. Als Maskenmaterialien können zum Beispiel Siliciumdioxid oder Aluminium verwendet werden. In der Maskierungsschicht (33) wird in der Mitte der Vertiefung eine Öffnung erzeugt, gefolgt vom Ätzen eines Lochs durch das Substrat (31, Fig. 3C). Dieser Ätzschritt kann aus einem Trockenätzschritt unter Verwendung einer Chlor- oder Brom- Chemie bestehen. Die Maske (33) wird entfernt, und die Vorderseite einschließlich des tiefen Loches wird mit einem unter Zugspannung stehenden Film (34) bedeckt. Das Filmmaterial, das vorzugsweise aus Siliciumcarbid oder Siliciumnitrid besteht, wird durch plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung aufge- bracht. Die Filmdicke beträgt zum Beispiel 2 um. Das Loch kann in Abhängigkeit von dem Ätzverfahren einen Durchmesser besitzen, der merklich über 2 um liegt, so daß lediglich die Seitenwände und der Boden des Loches mit dem Filmmaterial bedeckt sind. Demzufolge ist die spätere Spitze hohl, was aus Gewichtsgründen geeignet zu sein scheint (Fig. 3D).
Als nächstes wird die Siliciumdioxidmaske (32) auf der Rückseite geöffnet, und das Substrat (31) wird durch Ätzen bis zu der Membran (34) durch das so erhaltene Fenster abgetragen. Eine metallische Elektrode (36), die aus Au oder Al besteht, wird auf der Vorderseite der Membran (34, Fig. 3E) unter Verwendung einer Molybdän-Lochmaske aufgedampft. Zwei Paare metallischer Elektroden X&sub1;, X&sub2;, Y&sub1; und Y&sub2; (37, 38) werden auf einem Glasblock (40) durch Aufdampfen von Au oder Al (Fig. 3F) unter Verwendung einer Molybdän-Lochmaske erzeugt. Die Abmessungen des Glasblocks (40) können zum Beispiel 3 mm x 3 mm x 2 mm betragen. Wie zuvor erwähnt, ist der Glasblock (40) mit Bohrungen (43) versehen, die eine pneumatische Grobannäherung der Spitze (35) in z-Richtung erlauben. Als nächstes wird der Glasblock (40) mit dem Siliciumrahmen (31, 34) gebondet, wobei die x-, y-Elektroden (37, 38) über einer z-Elektrode (36) auf der Membran (34) positioniert sind und wobei die Membran (34) mit der z-Elektrode auf einer niedrigeren Ebene angeordnet ist. Beim Verbinden handelt es sich um "Mallory"-Verbinden, das bei etwa 300 ºC und 1000 V ausgeführt wird. Eine Prüfung der Bindung zwischen Glasblock und Substrat kann mittels der SiC-Zwischenschicht (Fig. 3G) bereitgestellt werden.
Da bis zu diesem Stadium die Spitze (35) nicht über den umgebenden Siliciumrahmen (31) vorsteht, wird die verbliebene Siliciumdioxidmaske (32) auf der Rückseite entfernt, und der Rahmen wird durch Ätzen abgetragen. Da das Material der Membran ein Isolator ist, müssen die Spitze (35) und ein Teil der Membran (34) und des Siliciumrahmens (31) auf der Unterseite mit einer elektrisch leitfähigen Schicht (39, Fig. 3G) versehen werden, um eine Spannung für den Tunnelstrom zu erhalten. Ein bevorzugtes Material für diese Schicht ist Platin, das mit einer Dicke von etwa 0,1 um angebracht wird.
Das tiefe Loch (Fig. 3C), dessen Einprägung die spätere Spitze (35) bildet, kann so erzeugt werden, daß es einen Durchmesser von 20 um bis 100 um aufweist. Für den Fall, daß während des Abrasterns als Folge dieses Membranlochs Probleme auftreten, muß das Loch teilweise oder vollständig durch die folgenden zusätzlichen Schritte geschlossen werden. Auf den Schritt der Abscheidung des Siliciumcarbids oder Siliciumnitrids (34, Fig. 3D) folgend wird das Loch mit einem polymeren Material, vorzugsweise mit Polyimid, gefüllt und planarisiert. Nach einem Härtungsschritt bei etwa 400 ºC wird eine zweite Siliciumcarbid- oder Siliciumnitridschicht angebracht (nicht gezeigt). Diese zweite Siliciumcarbid- oder Siliciumnitridschicht über dem gefüllten Loch wird in einem reaktiven Ionenätzschritt teilweise geöffnet, wobei eine geeignete Maske, wie eine Molybdänmaske mit einer Gitterstruktur, verwendet wird. In einem Sauerstoffplasma-Ätzschritt wird das Polyimid aus Gewichtsgründen von der Spitze entfernt. Dieser Schritt ergibt ein Gitter, welches das Loch überspannt, was kein Nachlassen der Spannung der Membran während einer späteren Abrasterung erlaubt. Es wird jedoch angenommen, daß für ein angemessen kleines Loch mit einem Durchmesser < 50 um eine derartige tragende Struktur nicht erforderlich ist.
Bezugnehmend auf die Fig. 4A bis 4E ist dort ein zweites Verfahren gezeigt, das eine planare Technologie zum Herstellen eines integrierten Rastertunnelmikroskops beinhaltet.
Eine Schicht aus einem leitfähigen Material, zum Beispiel eine 0,1 um dicke Platinschicht, wird durch Aufdampfen unter Verwendung einer Molybdän-Lochmaske an einem Substrat (41) angebracht, wodurch vier Quadranten (42A, 42B, Fig. 4A) erzielt werden, die später als die unteren Elektroden für die x-, y- und z-Bewegung der Spitze verwendet werden. Das Substrat besteht aus Silicium oder irgendeinem anderen Substratmaterial, das zum Erzeugen integrierter elektronischer Schaltkreise geeignet ist. Eine Sili- ciumdioxidschicht (44) wird an der Oberfläche der Elektroden (42A, 42B), wobei sie die Elektroden überlappt, zum Beispiel durch plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung angebracht. Diese Siliciumdioxidschicht mit einer Dicke im Bereich von etwa 2 um bis 5 um dient als Abstandshalterschicht zwischen den unteren und oberen Elektroden und wird später durch selektives Ätzen entfernt, um die Elektroden mit einem Abstand zu versehen.
Als nächstes wird ein ringförmiger metallischer Leiter (45), zum Beispiel ein 0,1 um dicker Platinleiter, durch Aufdampfen unter Verwendung einer Molybdän-Lochmaske an der Siliciumdioxidschicht (44) angebracht. Dieser ringförmige metallische Leiter, der ungefähr das gleiche Gebiet bedeckt wie die unteren Elektroden (42A, 42B), bildet die gemeinsame Gegenelektrode für die Elektroden der vier Quadranten. Eine dielektrische Schicht (46), zum Beispiel aus Siliciumcarbid oder Siliciumnitrid 81 wird oben auf dem ringförmigen metallischen Leiter (45, Fig. 4B) zum Beispiel durch plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung angebracht. Dieses Material wird während des Ätzens der Siliciumdioxidschicht (44) mit gepufferter Fluorwasserstoffsäure nicht angegriffen.
In der Mitte der kreisförmigen Sandwichstruktur wird durch reaktives Ionenätzen ein Loch erzeugt, gefolgt von reaktivem Ionenätzen eines spitz zulaufenden Loches (47) durch das Siliciumsubstrat (41) hindurch oder von anisotropem Naßätzen einer umgekehrten Pyramide mit zum Beispiel 37,5 Gew.-% wäßriger KOH. Dieses Loch, das sich nahezu durch den gesamten Siliciumwafer (41) hindurch erstreckt, bildet ein Negativ der späteren Spitze, das mit dem Tunnelkontaktmaterial gefüllt wird und das von den unteren Elektroden getrennt ist.
Die Sandwichstruktur, die das tiefe Loch beinhaltet, wird mit einem Tunnelkontaktmaterial (48), zum Beispiel mit einer 0,1 um dicken Platinschicht, bedeckt, das durch Aufdampfen unter Verwendung einer Molybdän-Lochmaske aufgebracht wird. Der Tunnelstrom wird über den so gebildeten Leiter von der Spitze zu der Probe geführt. An diesem Leiter und an der gesamten Struktur wird eine dielektrische Schicht (49) aus Siliciumcarbid oder Siliciumnitrid angebracht 81 wobei zum Beispiel plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung verwendet wird. Die Dicke dieser Schicht kann 2 um betragen. Diese Schicht repräsentiert die oszillierende Membran (49), mit der die obere Elektrode (45) durch die dielektrische Schicht (46) und den Leiter (48, Fig. 4D) verbunden ist.
Das die Spitze umgebende Silicium wird von der Unterseite und mittels einer strukturierten Oxidmaske (nicht gezeigt) entfernt, zum Beispiel durch Ätzen mit einer wäßrigen Lösung aus 37,5 Gew.-% KOH. Nachfolgend wird der gesamte Wafer um die 3 Stifte (50) herum unter Verwendung derselben Lösung etwas abgetragen. Mittels dieser Stifte wird das Rastertunnelmikroskop auf dem zu untersuchenden Substrat positioniert. Die Siliciumdioxidschicht (44) zwischen den Elektroden (42A, 42B und 45) wird durch Ätzen mit gepufferter Fluorwasserstoffsäure vollständig entfernt. Dies ergibt einen Freiraum für die Membran für eine Bewegung entlang der x-, der y- und der z-Achse, wenn elektrische Felder an die Elektroden angelegt werden. Die Platin-Siliciumcarbid-Spitze ist mit der Membran verbunden und kann durch dieselbe frei bewegt werden.
Oben auf dem unter Bezugnahme auf die Fig. 4A bis 4E beschriebenen Rastertunnelmikroskop kann ein Glasblock angeordnet werden, um eine pneumatische Grobannäherung der Membran/Spitzen-Einheit entlang der z-Achse zu erlauben (nicht gezeigt). Zwischen der Membran (49) und dem Glasblock ist ein Hohlraum vorgesehen, um eine Oszillation der Membran zu erlauben. Der Glasblock kann perforiert sein, um die Dämpfung der Membran dadurch zu variieren, daß die Membran mit einem Druck beaufschlagt wird, oder es kann der Hohlraum zwischen dem Glasblock und der Membran vor dem Verbinden evakuiert werden, wobei das Verbinden dazu verwendet wird, um eine vakuumdichte Abdichtung zu erzielen.
Vorteile des Rastertunnelmikroskops gemäß dieser Erfindung sind der hysteresefreie x-y-z-Antrieb und die hohe mechanische und thermische Stabilität des Sensorkopfes, die aus seiner geringen Masse und den kleinen Abmessungen resultieren. Demzufolge ist die Anordnung wenig anfällig für externe Vibrationen. Der Steuerschaltungsaufbau für die Stromversorgung zur Abstandssteuerung der Spitze ist auf dem gleichen Halbleitersubstrat integriert. Des weiteren können die aus der Abrasterung resultierenden Signale in direkter Nachbarschaft des Sensors durch auf dem gleichen Substrat integrierte Schaltkreise verarbeitet werden.

Claims

1. Rastertunnelmikroskop, das wenigstens eine elektronenemittierende Spitze, die in einem relativ konstanten Abstand entlang einer z-Achse senkrecht zur Probenoberfläche gehalten wird, einen xy-Antrieb zur abrasternden Führung der Spitze in einer matrixartigen Weise über die Probenoberfläche hinweg und Mittel zum Steuern eines Tunnelstromes zwischen der Spitze und der Probenoberfläche, um den Abstand im wesentlichen konstant zu halten, beinhaltet,

dadurch gekennzeichnet, daß der xy-Antrieb ein elektrostatischer Meßwandler (10) ist und aus wenigstens vier Elektroden (27, 28; 37, 38; 42A, 42B) besteht, die mit Abstand von einer Gegenelektrode (26, 36, 45) angeordnet sind;

wobei die vier Elektroden (27, 28; 37, 38; 42A, 42B) obere Elektroden, die auf einem Element (40) angeordnet sind, oder untere Elektroden darstellen, die auf einem Substrat (41) angeordnet sind,

wobei das Element (30, 40) ein perforierter Glasblock ist, der einen Teil einer Druck- oder Vakuumerzeugungskammer bildet.

2. Rastertunnelmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das RTM durch Mikro-Materialbearbeitung unter Verwendung von Verfahrensschritten für integrierte Schaltkreise gefertigt ist.

3. Rastertunnelmikroskop nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das RTM durch eine planare Stapeltechnik gefertigt wird.

4. Rastertunnelmikroskop nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (24, 34, 49) aus einem dielektrischen Material besteht und daß die Spitze (25, 35, 49), die einen integralen Teil der Membran bildet, mit einem elektrisch leitfähigen Material (29, 39, 48) versehen ist und mit einzelnen Elektroden verbunden ist, an die zum Bewegen der Spitze entlang der z-Achse senkrecht zu der Probenoberfläche eine Spannung angelegt werden kann.

5. Rastertunnelmikroskop nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (24, 34, 49) aus Siliciumcarbid oder Siliciumnitrid besteht und das elektrisch leitfähige Material (29, 39, 48) Platin ist.

6. Rastertunnelmikroskop nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß für eine Grobannäherung der Membran und der integralen Spitze entlang der z-Achse der Druck auf die Membran variiert wird und daß für eine Feinannäherung der Membran und der integralen Spitze eine Spannung Uz an die z-Elektrode (26, 36, 45) angelegt wird, wobei der Abstand zwischen Spitze und Probe als Funktion von Uz gesteuert wird.

7. Rastertunnelmikroskop nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (24, 34, 49) durch ein Halbleitersubstrat (21, 31, 41) an dem Glasblock angebracht ist, wobei das Halbleitersubstrat (21, 31, 41) elektronische Bauelemente für die Stromversorgung der Abstandssteuerung der Spitze und zur Verarbeitung der aus der Abrasterung resultierenden Signale beinhaltet.

8. Verfahren zum Herstellen eines eine pneumatische und elektrostatische Steuerung der Spitzenbewegung verwendenden Rastertunnelmikroskops, wie es in den Ansprüchen 1 bis 7 beansprucht ist, das die folgenden Schritte umfaßt:

a) Aufbringen von Maskierungsschichten (32) auf jeder Seite eines Halbleitersubstrates (31); Ätzen einer Vertiefung von mehreren um Tiefe in die frontseitige Maskierungsschicht (32) und in das Substrat (31) mit einer Abmessung, die der späteren Membranabmessung entspricht;

b) Entfernen der frontseitigen Maskierungsschicht (32); Aufbringen einer beständigen Maskierungsschicht (33) auf der geätzten Vertiefung;

c) Bereitstellen einer Öffnung in der beständigen Maskierungsschicht (33) in der Mitte der Vertiefung; Ätzen eines Loches (35) durch das Substrat (31) hindurch;

d) Entfernen der verbliebenen Maskierungsschicht (33); und Bedecken der Frontseite des Substrates (31) einschließlich des Loches (35) mit einem unter Zugspannung stehenden Film (34);

e) Öffnen der rückseitigen Maskierungsschicht (32); Dünnermachen des Substrates (31), um die spätere Membran (34) und die Spitze (35) freizulegen; Anbringen einer Metallschicht (36) auf dem unter Zugspannung stehenden Film (34) auf der Frontseite und Strukturieren einer ersten Elektrode derart, daß sie sich über die Vertiefung erstreckt;

f) Anbringen einer Metallschicht an einem Element (40) und Strukturieren von zweiten Elektroden (37, 38);

g) Bonden des Elementes (40) mit den zweiten Elektroden (37, 38) an den Substratrahmen (31, 34), wobei die zweiten Elektroden (37, 38) oberhalb der ersten Elektrode (36) auf der Membran (34) positioniert sind; und Entfernen der verbliebenen Maske (32) von der Rückseite des Substrates (31); Dünnermachen des Substratrahmens (31) durch Ätzen; und Anbringen einer Metallbeschichtung (39) auf der Spitze (35) und auf einem Teil des Substrates (31).

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schritt a) des Aufbringens der Maskierungsschicht (32) das Bilden von Schichten aus Siliciumdioxid oder Siliciumnitrid auf jeder Seite des Siliciumsubstrates (31) beinhaltet.

10. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schritt b) des Aufbringens eines beständigen Maskenmaterials (33) das Aufbringen von Siliciumdioxid oder Aluminium beinhaltet.

11. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schritt d) des Bedekkens der Frontseite des Substrates (31) einschließlich des Loches (35) mit dem unter Zugspannung stehenden Film (34) das Aufbringen von Siliciumcarbid oder Siliciumnitrid durch plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung beinhaltet.

12. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Schritte zum Ätzen der Maskierungsschichten Naßätzschritte unter Verwendung von gepufferter Fluorwasserstoffsäure für Siliciumdioxid beinhalten

13. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Schritte zum Ätzen des Siliciumsubstrates Naßätzen unter Verwendung von 37,5 Gew.- %igem wäßrigem KOH (Schritte a, e, g) oder Trockenätzen unter Verwendung einer Chlor- oder Brom-Chemie (Schritt c) beinhalten.

14. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Aufbringen und Strukturieren auf den ersten und zweiten Elektroden die Aufdampfung eines Metalls 81 vorzugsweise Platin, unter Verwendung einer Aperturmaske beinhaltet (Schritte e, f).

15. Verfahren zur Herstellung eines eine pneumatische und elektrostatische Steuerung der Spitzenbewegung verwendenden Rastertunnelmikroskops, wie es in den Ansprüche 1 bis 7 beansprucht ist, das die folgenden Schritte umfaßt:

a) Anbringen einer ersten Metallschicht auf einem Substrat (41) und Strukturieren von ersten Elektroden (42A, 42B); und Anbringen einer ersten dielektrischen Schicht (44) auf der Oberfläche der ersten Elektroden (42A, 42B), welche die Elektroden überlappt;

b) Anbringen einer zweiten Metallschicht auf der ersten dielektrischen Schicht (44) und Strukturieren der Metallschicht, um einen ringförmigen Leiter (45) zu bilden, der ungefähr die gleiche Fläche wie die ersten Elektroden (42A, 42B) überdeckt und der eine zweite Elektrode bildet; Aufbringen einer zweiten dielektrischen Schicht (46) oben auf dem ringförmigen Leiter (45);

c) Bereitstellen einer Öffnung in der Mitte der in Schritt b) gebildeten, kreisförmigen Sandwichstruktur und Ätzen eines Loches (47) durch das Substrat (41) hindurch;

d) Bedecken der kreisförmigen Sandwichstruktur einschließlich des Loches mit Tunnelkontaktmaterial (48); Anbringen einer dritten dielektrischen Schicht (49) auf der Schicht (48) aus Tunnelkontaktmaterial und auf der gesamten Struktur;

e) Entfernen des Substratmaterials, das die Spitze umgibt, die durch das Tunnelkontaktmaterial (48) und durch die dritte dielektrische Schicht (49) in dem Loch (47) gebildet ist, durch Ätzen unter Verwendung einer strukturierten Oxidmaske; Dünnermachen des Substrates durch Ätzen; und Abätzen der ersten dielektrischen Schicht (44), um für die kreisförmige Sandwichstruktur, die eine Membran (49), die Tunnelkontaktschicht (48) mit der Spitze (47) als integralem Teil des Tunnelkontaktmaterials und der dritten dielektrischen Schichten (49, 48), die zweite dielektrische Schicht (46) und den ringförmigen Leiter (45) beinhaltet, Freiraum zur Bewegung entlang einer x-, einer y- und einer z-Achse bei Anlegen von elektrischen Feldern bereitzustellen.

16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Schritt a) des Aufbringens einer ersten dielektrischen Schicht (44) das Aufbringen von Siliciumdioxid beinhaltet, das als Abstandshaltermaterial wirkt und das durch Ätzen mit gepufferter Fluorwasserstoffsäure in einer späteren Stufe entfernt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Schritte a, b und d des Aufbringens und Strukturierens der ersten Elektroden (42A, 428), des ringförmigen Leiters (45) und des Tunnelkontaktmaterials (48) die Aufdampfung eines Metalls, vorzugsweise Platin, unter Verwendung einer Aperturmaske beinhalten.

18. Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Schritte b und d des Aufbringens der ersten und der dritten dielektrischen Schicht (44) und (49) das Aufbringen von Siliciumcarbid oder Siliciumnitrid durch plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung beinhalten, wobei die dritte dielektrische Schicht (49) die Membran darstellt.

19. Verfahren nach den Ansprüchen 15 bis 18, das des weiteren beinhaltet:

Bereitstellen eines Glasblockes oben auf dem Rastertunnelmikroskop, wobei ein Hohlraum zwischen dem Glasblock und der Membran (49) belassen wird, um eine pneumatische Grobannäherung des Membran/Spitzenaufbaus entlang der z-Achse senkrecht zur Probenoberfläche zu erlauben.