DE69107510T2

DE69107510T2 - Auslegertastspitze zur Anwendung in einem Rasterkraftmikroskop und Verfahren zu seiner Herstellung.

Info

Publication number: DE69107510T2
Application number: DE69107510T
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki Yodogawa-Ku Osaka-Shi Osaka-Fu Kado; Takao Ikoma-Shi Nara-Ken Tohda
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1990-05-16
Filing date: 1991-05-14
Publication date: 1995-08-03
Anticipated expiration: 2011-05-15
Also published as: US5336369A; DE69107510D1; US5239863A; EP0457253A3; EP0457253B1; EP0457253A2; JP2624873B2; JPH0422809A

Description

Hintergrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft allgemein ein Atomkraftmikroskop und speziell eine flache freitragende Abtastspitze zur Verwendung in einem Atomkraftmikroskop sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Abtastspitze. Als Abtastspitze wird die Spitze einer von zwei Hauptoberflächen des freitragenden Teils verwendet.

Stand der Technik

Zum Stand der Technik gehört das Raster-Tunnelmikroskop, das als Instrument zur Betrachtung der Oberfläche eines Festkörpers auf atomarer Ebene entwikkelt wurde. Da das Raster-Tunnelmikroskop jedoch zu Betrachtung der Probenoberfläche einen Tunnelstrom zwischen Probe und Abtastspitze erfaßt, ist es unmöglich, mit dem Raster-Tunnelmikroskop die Oberfläche von Isolatoren zu betrachten. Zur Lösung dieses Problems wird ein Atomkraftmikroskop (nachfolgend als "AFM" bezeichnet) vorgeschlagen, bei dem die Probenoberfläche dadurch betrachtet wird, daß zwischen der Probe und der Abtastspitze wirkende Kräfte erfaßt werden. Ähnlich wie beim Raster-Tunnelmikroskop hängt die Auflösung des AFM weitgehend vom Krümmungsradius des spitzen Endes der Abtastspitze ab. Je kleiner der Krümmungsradius, desto höher die Auflösung. Zur Erfassung sehr kleiner Kräfte ist beim AFM ein freitragender Teil bzw. Arm 25 erforderlich, an dessen spitzem Ende eine Abtastspitze 26 ausgebildet ist, wie in Fig. 1 gezeigt. Bei einigen der herkömmlichen AFM wird das spitze Ende des Arms als Abtastspitze verwendet. Ein Arm mit integrierter pyramidenförmiger Spitze kann durch Verwendung eines Ätzgrübchens als Form gebildet werden. Die Abtastspitze kann durch anisotropes Ätzen gebildet werden. In den letzten Jahren wurden Abtastspitzen mit einem Spitzenkrümmungsradius von etwa 300 Å erzielt. Ein derartiger Arm ist aus einem Artikel mit dem Titel "Improved atomic force microscope images using microcantilevers with sharp tips" in Applied Physics Letters 57(3) vom 16. Juli 1990, S. 316-318, bekannt.
Wie oben angegeben, werden die AFM-Abtastspitzen mit verschiedenen Verfahren hergestellt, jedes dieser Verfahren bringt jedoch eines oder mehrere Probleme mit sich. Wenn das spitze Ende des Arms als Abtastspitze verwendet wird, gibt es keine Schwierigkeiten mit der Haftung zwischen Arm und Abtastspitze, und die Hertellungsverfahren sind vergleichsweise einfach. Bei der normalen Photoätztechnik wird jedoch der Krümmungsradius nicht kleiner als einige tausend Ångström, weil der Krümmungsradius der Spitze gänzlich von der Genauigkeit der Photolithographie abhängt. Daher hat ein mit diesem Verfahren hergestelltes Mikroskop eine geringe Auflösung. Eine Ätztechnik ohne Maske, beispielsweise die FIB-Technik (fokussierter Ionenstrahl) ist erforderlich, um einen kleineren Krümmungsradius als oben angegeben zu erzielen, jedoch sind dabei die Herstellungsprozesse kompliziert, und es ergibt sich ein Kostenproblem. Wenn zur Herstellung der Abtastspitze ein Kristall-Ätzgrübchen als Form verwendet wird, läßt sich zwar ein vergleichsweise kleiner Krümmungsradius erreichen, jedoch sind die Herstellungsprozesse kompliziert. Da die Haftung zwischen Abtastspitze und Arm gering ist, wird außerdem die Betrachtung bei Vibrationen schwierig.
Das Herstellungsverfahren mittels anisotropem Ätzen unterliegt beim Ätzen verschiedenen Parametern und hat Schwachstellen beim Ausbilden der Form der Abtastspitze.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung möchte die vorgenannten Nachteile überwinden.
Somit ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte freitragende Abtastspitze zur Verwendung in einem Atomkraftmikroskop zur Verfügung zu stellen, die einen extrem kleinen Spitzenkrümmungsradius hat.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung der vorbeschriebenen Abtastsitze zur Verfügung zu stellen.
Zur Lösung der genannten und weiterer Aufgaben weist die erfindungsgemäße freitragende Abtastspitze einen freitragenden Teil mit einem feststehenden und einem freien Ende und zwei Hauptoberflächen sowie einen ersten und einen zweiten, eine Spitze aufweisenden Bereich auf, die in den jeweiligen Hauptoberflächen liegen und von ihnen am freien Ende des freitragenden Teils definiert sind. Der erste, die Spitze aufweisende Bereich hat einen Krümmungsradius kleiner 0,1 um und ragt in Richtung der jeweiligen Hauptoberfläche wegzeigend vom feststehenden Ende über den zweiten, die Spitze aufweisenden Bereich hinaus, so daß der erste, die Spitze aufweisende Bereich zur Betrachtung der Probenoberfläche verwendet werden kann.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Abtastspitze mit folgenden Schritten:
Bilden einer Schicht auf der Oberfläche eines Substrats, die aus einem Material für die Abtastspitze besteht, welches anders ist als das Material des Substrats;
Bilden einer Resist-Dünnschicht auf der Oberfläche des Materials für die Abtastspitze, die aus einem Material besteht, welches anders ist als das Material der Abtastspitze, und die eine Spitze mit gegebenem Krümmungsradius aufweist;
Ätzen des Materials für die Abtastspitze durch Einsatz einer Isotropätztechnik, so daß die Ätztiefe größer ist als der Krümmungsradius der Spitze der Resist-Dünnschicht;
Formen des Materials für die Abtastspitze, so daß eine Spitze einer Hauptoberfläche davon einen Krümmungsradius von weniger als 0,1 um aufweist und über die Spitze deren gegenüberliegender Hauptoberfläche vorspringt; und Entfernen der Resist-Dünnschicht und des Substrats, die an den Spitzen des Materials für die Abtastspitze anhaften.
Da die Spitze der Resist-Dünnschicht mit einer herkömmlichen feinbearbeitungstechnik gebildet wird, ist der Krümmungsradius größer als 0,1 um. Die an die Resist-Dünnschicht angrenzende Dünnschicht aus dem Material der Abtastspitze wird von beiden Seiten der Spitze der Resist-Dünnschicht aus mittels einer Isotropätztechnik geätzt. Wenn also die Ätztiefe größer ist als der Krümmungsradius der Spitze der Resist-Dünnschicht, wird zumindest bei der Spitze einer Hauptoberfläche des freitragenden Teils, die an der Resist- Dünnschicht anhaftet, der Krümmungsradius sehr klein. Durch weiteres Ätzen kann der Krümmungsradius der Spitze der anderen Hauptoberfläche sehr klein gemacht werden. Somit kann eine Abtastspitze mit einem Krümmungsradius von weniger als 0,1 um durch herkömmliches Photoätzen erzielt werden, wenn die Spitze einer der Hauptoberflächen als Abtastspitze verwendet wird, ohne daß eine Feinbearbeitungstechnik für den Submikrobereich, wie beispielsweise die FIB-Technik, eingesetzt wird. Diese Abtastspitze kann mit zu einer hohen Auflösung des Atomkraftmikroskops beitragen. Da die Spitze des freitragenden Teils als Abtastspitze verwendet wird, sind der freitragende Teil und die Abtastspitze außerdem einstückig, so daß das Problem der Hafteigenschaften zwischen Abtastspitze und freitragendem Teil entfällt.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die genannten und weitere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden in nachstehender Beschreibung anhand einer bevorzugten Ausführungsform und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen gleiche Teile mit demselben Bezugszeichen bezeichnet sind, näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1: eine perspektivische Darstellung einer herkömmlichen freitragenden Abtastspitze zur Verwendung in einem Atomkraftmikroskop;
Fig. 2: eine perspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abtastspitze zur Verwendung in einem Atomkraftmikroskop;
Fig. 3: einen Seitenriß der freitragenden Abtastspitze nach Fig. 2 und eine zu betrachtende Probe;
Fig. 4a bis 4c: Verfahrensschritte für die Herstellung der freitragenden Abtastspitze nach Fig. 2;
Fig. 5: eine perspektivische Darstellung einer freitragenden Abtastspitze gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6a bis 6c: Verfahrensschritte für die Herstellung der freitragenden Abtastspitze nach Fig. 5; und
Fig. 7: eine ähnliche Ansicht wie Fig. 5, und zwar eine Abwandlung davon.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Von den Zeichnungen zeigt fig. 2 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen flachen freitragenden Teil 2 mit einer Abtastspitze 1, die einstückig damit an deren Spitze ausgebildet ist. Dieser flache freitragende Teil 2 wird in einem Atomkraftmikroskop verwendet.
Wie in Fig. 2 gezeigt, hat der freitragende Teil 2 ein Ende, das starr mit einem Trägermaterial 3 verbunden ist, und ein freies Ende 4. Der freitragende Teil 2 hat außerdem zwei flache Hauptoberflächen. Die Spitze der einen Hauptoberfläche, die über die andere hinaussteht, wird als Abtastspitze 1 verwendet.
Fig. 3 zeigt die Beziehung zwischen der freitragenden Abtastspitze 1 und einer Probe 6 während eines Betrachtungsvorgangs. In Fig. 3 bildet der Teil 2 mit der zu betrachtenden Probe 6 einen Winkel von etwa 20º. Wenn die freitragende Abtastspitze 1 sehr dicht an eine Probenoberfläche 7 herangeführt wird, treten zwischen Atomen der Probenoberfläche 7 und Atomen der freitragenden Abtastspitze 1 Kräfte auf, die den Teil 2 leicht krümmen. Diese Kräfte umfassen van der Waalssche Anziehungskräfte, magnetische Kräfte, elektrostatische Kräfte und Abstoßungskräfte. Durch Erfassen der Krümmung des Teils 2 mit einer geeigneten Methode wird es möglich, die Probenoberfläche 7 zu betrachten.
Die Fig. 4a bis 4c zeigen Schritte zur Herstellung der freitragenden Abtastspitze zur Verwendung in einem Atomkraftmikroskop. Zunächst wird als Material für die freitragende Abtastspitze 1 durch thermische Oxidation eine SiO&sub2;- Schicht mit einer Dicke von 1 bis 2 um auf der Oberfläche eines Si-Substrats 8 gebildet. Auf der Oberfläche der SiO&sub2;-Schicht 9 wird dann als Resist-Dünnschicht eine WSi&sub2;-Schicht 10 mit einer Dicke von 0,1 um gebildet. Mit der bekannten Photoätztechnik wird die WSi&sub2;-Schicht 10 so bearbeitet, daß sie eine Spitze 11 erhält (Fig. 4a). Der Krümmungsradius der gebildeten Spitze 11 der WSi&sub2;-Schicht 10 beträgt etwa 0,5 um. Sodann wird das Substrat 8 zum isotropen Ätzen der SiO&sub2;-Schicht 9 20 Minuten lang in eine gepufferte Ätzlösung (Lösungsgemisch aus einem Volumenteil HF und sechs Volumenteilen NH&sub4;F) getaucht, wobei die WSi&sub2;-Schicht 10 als Resist-Dünnschicht bzw. Abdeckschicht dient (Fig. 4b). Bei dieser Ausführungsform wird eine Spitze mit einem Krümmungsradius von etwa 300 Å gebildet. Dann wird das Substrat zur Entfernung der WSi&sub2;-Schicht 10 durch Ätzen in ein verdünntes Lösungsgemisch von Flußsäure und Salpetersäure getaucht. Anschließend wird der gebildete freitragende Teil zum Anhaften an einem Trägermaterial 13 gebracht, und das Si- Substrat 8 wird durch Ätzen entfernt, womit die Herstellung des freitragenden Teils 2 und der Abtastspitze 1 abgeschlossen ist. Die Spitze der Abtastspitze 1 hat einen Krümmungsradius von 300 Å (Fig. 4c).
Das Material von Abtastspitze und Abdeckschicht ist nicht auf die Kombination von SiO&sub2; und WSi&sub2; beschränkt, sondern es kann als Material für die Abtastspitze auch Si&sub3;N&sub4; oder dergleichen und als Material für die Resist-Dünnschicht ein herkömmliches Photoresistmaterial verwendet werden.
Obwohl die Spitze der überstehenden Hauptoberfläche des freitragenden Teils als Abtastspitze verwendet wird, können bei dieser Ausführungsform ein außerordentlich kleiner Krümmungsradius und eine hohe Auflösung erzielt werden, wenn die Spitze der anderen Hauptoberfläche als Abtastspitze verwendet wird. In diesem Fall kann durch die Verwendung von monokristallinem Si als Si-Substrat das Trägermaterial des freitragenden Teils durch anisotropes Ätzen direkt aus dem Si-Substrat gebildet werden, wodurch die Herstellung vereinfacht wird.
Fig. 5 zeigt gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen freitragenden Teil 15 und damit einstückig gebildet eine Abtastspitze 14. Die Oberfläche der Abtastspitze bildet mit dem freitragenden Teil 15 einen Winkel von 55º.
Fig. 6a bis 6c zeigen Verfahrensschritte zur Herstellung der freitragenden Abtastspitze 14 von Fig. 5. Zunächst wird durch anisotropes Ätzen auf einem monokristallinen Si-Substrat 16 eine geneigte < 111> -Si-Oberfläche 17 gebildet (Fig. 6a). Die gebildete < 111> -Oberfläche bildet mit einer < 100> -Oberfläche 18 einen Winkel von 55º. Bei diesem Schritt kann der Winkel der geneigten Oberfläche auch mit einem anderen Verfahren eingestellt werden. Eine steile Neigung kann beispielsweise durch Sputtern erzielt werden, und der Neigungswinkel kann leicht durch Naßverfahrensschritte verändert werden, weil die seitliche Ätztiefe sich mit der Ätzgeschwindigkeit ändert. Nachdem als Material für die freitragende Abtastspitze durch thermische Oxidation auf der Oberfläche des Substrats 16 eine SiO&sub2;-Schicht 19 mit einer Dicke von 1 bis 2 um gebildet worden ist, wird auf der Oberfläche der SiO&sub2;Schicht 19 eine WSi&sub2;-Schicht 20 mit einer Dicke von 0,1 um gebildet. Die WSi&sub2;-Schicht 20 wird durch normales Photoätzen so bearbeitet, daß zumindest die Spitze 21 auf der geneigten Oberfläche liegt (Fig. 6b). Damit wird mit den bei der ersten Ausführungsform angewendeten Verfahrensschritten eine Abtastspitze 23 mit einem Krümmungsradius von 300 Å gebildet, die mit dem freitragenden Teil 22 einen Winkel von 55º bildet (Fig. 6c). Wenn die Abtastspitze in einem Winkel von 45 bis 90º gegen den freitragenden Teil geneigt ist, kann die Spitze der einen Hauptoberfläche, die über die andere Hauptoberfläche hinausragt, als Abtastspitze verwendet werden. Wenn dagegen die Abtastspitze in einem Winkel von 0 bis 45º gegen den freitragenden Teil geneigt ist, kann die Spitze von dessen Hauptoberfläche als Abtastspitze verwendet werden.
Als Material für Abtastspitze und Resist-Dünnschicht kann die vorstehend angegebene Materialkonbination verwendet werden.
Obwohl bei dieser Ausführungsform der freitragende Teil so hergestellt wird, daß die untere < 100> -Oberfläche des Si-Substrats verwendet wird, kann der freitragende Teil auch so hergestellt werden, daß die obere < 100> -Oberfläche des Si-Substrats verwendet wird. In diesem Fall kann, wie in Fig. 7 gezeigt, die Spitze 24 der einen Hauptoberfläche, die über die andere Hauptoberfläche hinaussteht, als Abtastspitze mit einen Neigungswinkel zwischen 0 und 90º verwendet werden.
Mit der vorliegenden Erfindung kann mit herkömmlicher Photoätztechnik ohne Einsatz einer Feinbearbeitungstechnik für den Submikrobereich, wie beispielsweise der FIB-Technik, eine Abtastspitze mit einem Spitzenkrümmungsradius von weniger als 0,1 um und überlegener Haftung am freitragenden Arm gebildet werden. Damit kann bei Verwendung der erfindungsgemäßen Abtastspitze ein Atomkraftmikroskop von hoher Zuverlässigkeit und hoher Auflösung erreicht werden, mit dem eine Probenoberfläche auf atomarer Ebene betrachtet werden kann.
Auch wenn die vorliegende Erfindung anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen vollständig beschrieben worden ist, ist anzumerken, daß für fachleute zahlreiche Abänderungsmöglichkeiten offensichtlich sind. Diese sind daher als von der Erfindung beinhaltet anzusehen, sofern sie nicht anderweitig über den Bereich der vorliegenden Erfindung hinausgehen.

Claims

1. Freitragende Abtastspitze (1, 14, 23) zur Verwendung in einem Atomkraftmikroskop zum Beobachten einer Probenoberfläche (7) durch Nutzung der zwischen der freitragenden Abtastspitze (1, 14, 23) und der Probenoberfläche wirkenden Atomkräfte, wobei die freitragende Abtastspitze (1, 14, 23) aufweist:

einen freitragenden Teil (2, 15, 22), der ein festes Ende, ein freies Ende und zwei gegenüberliegende Hauptoberflächen aufweist; und

erste und zweite, eine Spitze aufweisende Bereiche, die in den jeweiligen Hauptoberflächen liegen und von ihnen am freien Ende des freitragenden Teils (2, 15, 22) definiert sind, wobei der erste, die Spitze aufweisende Bereich einen Krümmungsradius von weniger 0,1 um aufweist und über den zweiten, die Spitze aufweisenden Bereich in einer Richtung entlang seiner jeweiligen Hauptoberfläche und weg vom festen Ende vorspringt.

2. Freitragende Abtastspitze nach Anspruch 1, wobei die Hauptoberflächen parallel und planar sind und durch die Dicke des freitragenden Teils (2, 15, 22) beabstandet sind, und wobei die ersten und zweiten, die Spitze aufweisenden Bereiche durch die Dicke des freitragenden Teils (2, 15, 22) beabstandet sind.

3. Freitragende Abtastspitze nach Anspruch 1, wobei der freitragende Teil (15, 22) an einem Ort zwischen dem festen Ende und dem freien Ende unter einem Winkel von 90 º oder weniger abgebogen ist.

4. Freitragende Abtastspitze nach Anspruch 1, wobei der freitragende Teil (2, 15, 22) und die die Spitze aufweisenden Bereiche einheitlich und einstückig und aus SiO&sub2; hergestellt sind, und wobei der erste, die Spitze aufweisende Bereich einen Krümmungsradius von etwa 300 Å aufweist.

5. Freitragende Abtastspitze nach Anspruch 1, wobei der freitragende Teil (2, 15, 22) und die die Spitze aufweisenden Bereiche einheitlich und einstückig und aus Si&sub3;N&sub4; hergestellt sind.

6. Verfahren zum Herstellen einer freitragenden Abtastspitze (1, 14, 23) zur Verwendung in einem Atomkraftmikroskop, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt:

Bilden einer Schicht (9, 19) auf der Oberfläche eines Substrats (8, 16), die aus einem Material für die Abtastspitze besteht, welches anders ist als das Material des Substrats (8, 16);

Bilden einer Resist-Dünnschicht (10, 20) auf der Oberfläche des Materials für die Abtastspitze, die aus einem Material besteht, welches anders ist als das Material der Abtastspitze, und die eine Spitze (11, 21) mit gegebenem Krümmungsradius aufweist;

Ätzen des Materials für die Abtastspitze durch Einsatz einer Isotropätztechnik, so daß die Ätztiefe größer ist als der Krümmungsradius der Spitze (11, 21) der Resist-Dünnschicht (10, 20);

Formen des Materials für die Abtastspitze, so daß eine Spitze einer Hauptoberfläche davon einen Krümmungsradius von weniger als 0,1 um aufweist und über die Spitze deren gegenüberliegender Hauptoberfläche vorspringt; und

Entfernen der Resist-Dünnschicht (10, 20) und des Substrats (8, 16), die an den Spitzen des Materials für die Abtastspitze anhaften.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei an einem Bereich des Substrats (16) eine geneigte Oberfläche (17) gebildet wird, so daß die geneigte Oberfläche (17) mit einem angrenzenden Bereich des Substrats (17) einen Winkel von 0 bis 90 º bildet, und wobei die Spitzen des Materials für die Abtastspitze auf dieser geneigten Oberfläche (17) gebildet werden.