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Die Erfindung betrifft eine neuartige und verbesserte
Ausführungsform einer Sonde in Mikrobauweise, die für Oberflächen-
Rastermikroskope, wie etwa Tunnel-Rastermikroskope (scanning
tunnelling microscopes - STM) und Atommikroskope (atomic force
microscopes - AFM), verwendet wird.
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Derartige Mikroskope umfassen eine Sonde, die im allgemeinen als
federnder Arm oder Ausleger ausgeführt ist, der an einem Ende
abgestützt ist und an seinem anderen freien Ende eine scharfe
Spitze oder Nadel aufweist, die über eine zu untersuchende
Oberfläche eine Rasterabtastung durchführt. Derartige Sonden wurden
aus verschiedenen Materialien, wie etwa Siliziumoxid und
Siliziumnitrid, hergestellt, es wurden auch verschiedene
Herstellungstechniken angewandt, darunter auch
Siliziummikrobearbeitungstechniken, die aus der Herstellung von elektronischen
Mikrochipbauteilen und -schaltkreisen wohlbekannt sind. Die EP-A-0 413
042 offenbart beispielsweise. ein Siliziumätzverfahren zur
Herstellung von AFM- / STM-Mikrosonden.
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Bei der Verwendung eines Tunnel-Rastermikroskops oder eines
Atommikroskops wurde es bislang als erwünscht angesehen, daß der
Sondenarm, obwohl er federnd sein muß, so daß die Nadel
Bewegungen zur zu untersuchenden Oberfläche hin und von ihr weg
ausführen kann, eine erhöhte Steifheit aufweist, um Bewegungen der
Nadel in Richtungen parallel zur Oberfläche entgegenzuwirken.
Aus diesem Grund wurden Sonden vorteilhafterweise in
Mikrobauweise aus dünnen Folien aus beispielsweise Siliziumoxid
hergestellt, um eine hohe Steifheit (und eine entsprechend hohe
Resonanzfrequenz) in "x"- und "y"-Richtung, parallel zur
abgetasteten Oberfläche, bereitzustellen, während eine wesentlich
geringere Steifheit (die nach Belieben während der Herstellungsphase
ausgewählt werden kann) in bezug auf die Bewegung der
Sondenspitze
in "z"-Richtung, senkrecht zur Oberfläche, bereitgestellt
wird.
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Insbesondere im Zusammenhang mit der Atommikroskopie besteht
jedoch die Möglichkeit, das tribologische Verhalten (d.h. das
Reibungsverhalten) von Oberflächen zu untersuchen, indem die
Kräfte, die auf die Sondennadel wirken, nicht nur in z-Richtung,
sondern auch in zumindest einer weiteren Richtung,
beispielsweise der y-Richtung, parallel zur zu untersuchenden Oberfläche,
gemessen werden. Dies erfordert jedoch eine Sonde, deren
Steifheit in beiden Richtungen vergleichbar ist. Ein Auslegerarm mit
einem quadratischen Querschnitt wäre ideal, es ware jedoch nicht
zweckmäßig, einen derartigen Arm aus einer dünnen Folie
herzustellen, da ihre maximale Dicke, die bei einer Größenordnung von
1 Mikrometer liegt, eine unrealistische Begrenzung für die
Breite des Armes darstellen würde.
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Eine Aufgabe eine Erfindung besteht daher darin, eine neuartige
und verbesserte Sonde für ein Oberflächen-Rastermikroskop
bereitzustellen, die in jeder der beiden unterschiedlichen
Richtungen eine vergleichbare Steifheit aufweist.
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Erfindungsgemäß ist eine Oberflächen-Rastermikroskopsonde
bereitgestellt, die einen Stützkörper und einen federnden Arm oder
Ausleger umfaßt, der an einem Ende durch den Stützkörper
abgestützt ist und auf dessen anderem freien Ende eine scharfe
Spitze oder Nadel angeordnet ist, wobei der Arm oder Ausleger
mäanderförmig ist.
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Der mäanderförmige Arm oder Ausleger kann aus einer Mehrzahl von
gewölbten Abschnitten geformt sein, die in einer gemeinsamen
Ebene angeordnet sind und an den Enden integral miteinander
verbunden sind, wobei wechselseitig benachbarte gewölbte Abschnitte
eine entgegengesetzte Krümmung aufweisen; oder er kann aus einer
Mehrzahl von geraden Abschnitten geformt sein, die in einer
gemeinsamen Ebene angeordnet sind und an den Enden integral
miteinander verbunden sind, wobei wechselseitig benachbarte
Abschnitte in einem solchen Winkel zueinander angeordnet sind, daß
eine Zickzack-Mäanderform gebildet wird. Bei einem anderen
Ausführungsbeispiel kann der mäanderförmige Arm oder Ausleger eine
Mehrzahl von geraden Abschnitten umfassen, die sich in einer
gemeinsamen Ebene im allgemeinen parallel zueinander und quer zu
der vom abgestützten Ende zum freien Ende des Arms verlaufenden
Richtung erstrecken, wobei die Querabschnitte an ihren Enden
integral miteinander durch die Endverbindungsabschnitte verbunden
sind, die integral mit den Enden der Querabschnitte ausgeführt
sind.
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Eine derartige Sonde ist bevorzugt aus monokristallinem Silizium
hergestellt. Die Abschnitte des Auslegerarms weisen außerdem
bevorzugt einen im wesentlichen quadratischen und gleichen
Querschnitt auf, obgleich, sofern er eine Mehrzahl von im
allgemeinen parallelen Querabschnitten aufweist, diese unterschiedliche
Längen aufweisen können.
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Ein geeignetes Verfahren zur Herstellung einer derartigen Sonde,
inklusive ihres Stützkörpers und ihrer Spitze oder Nadel als
integral ausgeführte Teile der Sonde, aus einer Scheibe aus einem
kristallinen Material mit entgegengesetzten ersten und zweiten
Oberflächen kann folgendes umfassen:
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- Bereitstellen eines Maskenflecks auf der ersten Oberfläche
der Scheibe an der Stelle, an der die Spitze der Sonde
ausgeformt werden soll;
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- Bereitstellen einer Maske auf der ersten Oberfläche der
Scheibe, die den Maskenfleck abdeckt und die eine Form aufweist,
die dem Stützkörper und dem Auslegerarm der Sonde entspricht;
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- anschließendes oder vorhergehendes Wegätzen des Bereiches
der zweiten Oberfläche, der dem Maskenabschnitt der ersten
Oberfläche entgegengesetzt ist, wodurch die Scheibendicke in diesem
Bereich verringert wird;
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- Wegätzen der ersten Oberfläche, mit Ausnahme des durch die
Masken abgedeckten Bereichs, bis zu einer Tiefe nahe der
verringerten Dicke der Scheibe in dem Bereich, der auf ihrer zweiten
Oberfläche geätzt wurde;
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- Entfernen der Masken mit Ausnahme des Maskenflecks von der
ersten Oberfläche der Scheibe; und
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- Fortführen des Wegätzens der ersten Oberfläche der Scheibe
mit einer Ätzflüssigkeit, die den Maskenfleck an seinen Kanten
unterätzt, um darunter die Sondenspitze aus dem Scheibenmaterial
als geätzte Spitze auszuformen, während außerdem durch den
Bereich der verringerten Dicke peripherisch um das den Auslegerarm
der Sonde bildende Material geätzt wird.
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Bei einem bevorzugten Beispiel dieses Verfahrens ist die Scheibe
eine < 100> -Scheibe aus monokristallinem Silizium, wobei der
Maskenfleck durch thermisches Erzeugen einer Schicht aus
Siliziumoxid auf der ersten Oberfläche bereitgestellt wird, und die
Maske, die dann auf der ersten Oberfläche bereitgestellt wird und
den Maskenfleck abdeckt, ein Photolackmuster ist, das in der
gewünschten Form belichtet und entwickelt wurde. Das Wegätzen der
Bereiche der ersten Oberfläche, die nicht durch die Masken
abgedeckt sind, wird dann bevorzugt durch Reaktivionenätzen unter
Verwendung eines C&sub2;CIF&sub5;/SF&sub6;-Gasgemisches durchgeführt, und das
anschließende Wegätzen der ersten Oberfläche nach Entfernen der
Masken von der Oberfläche wird bevorzugt entweder durch
Trockenplasmaätzen unter Verwendung eines SF&sub6;/O&sub2;-Gasgemisches oder ein
Naßätzverfahren unter Verwendung eines Gemisches aus Salpeter-,
Essig- und Fluorwasserstoffsäure und Wasser, bevorzugt in einem
Verhältnis von zumindest ungefähr 35:10:10:1, durchgeführt.
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Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sonde und ein
geeignetes Verfahren zur Herstellung einer derartigen Sonde sind
nachfolgend genauer unter Bezugnahme auf die begleitenden
Zeichnungen beschrieben und offenbart, wobei:
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Fig. 1 eine idealisierte Draufsicht einer erfindungsgemäßen
Oberflächen-Rastermikroskopsonde zeigt;
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Fig. 2 ein Diagramm zeigt, das die Biegung der in Figur 1
gezeigten Sonde darstellt, wenn ihre Spitze oder Nadel einer
Querkraft ausgesetzt ist; und
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Fig. 3a bis 3c schematisch die Schritte eines geeigneten
Verfahrens zur Herstellung der in Figur 1 gezeigten Sonden zeigen.
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Die in Figur 1 gezeigte Sonde umfaßt einen Stützkörper 11, einen
zusammengesetzten Auslegerarm 12 und eine scharfe Spitze oder
Nadel 13, wobei alle diese Teile, wie nachfolgend beschrieben,
monolithisch oder integral miteinander ausgeformt sind. Der Arm
12 weist ein Ende 12a auf, das integral mit dem Stützkörper 11
ausgeformt und durch ihn abgestüzt ist, wobei auf seinem anderen
freien Ende 12b die Spitze 13 ausgeformt ist.
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Zwischen seinen zwei Enden 12a und 12b ist der Arm 12
mäanderförmig und aus einer Mehrzahl von Querabschnitten 12c geformt,
die in einer gemeinsamen Ebene parallel zueinander liegen, wobei
die Endverbindungsabschnitte 12d integral mit den
Querabschnitten 12c ausgeführt sind und deren benachbarte Enden
miteinander verbinden. Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel
können die Abschnitte 12a, 12b, 12c und 12d des Arms 12, aus
monokristallinem Silizium, alle einen quadratischen Querschnitt
von 14 µm x 14 µm aufweisen, wobei die Länge des Arms 12 vom
Stützkörper 11 zur Spitze 13 700 µm betragen kann. Jeder der
Abschnitte 12d kann eine Länge von 65 µm und die anschließenden
Abschnitte 12c Längen von 270, 405, 340, 275, 200, 130 bzw. 65
µm aufweisen. Wie aus Figur 2 deutlicher hervorgeht, können die
Abschnitte 12a und 12b um ungefähr 65 µm nicht miteinander
ausgerichtet sein und der gesamte mäanderförmige Aufbau kann
geringfügig asymmetrisch sein.
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Figur 2 zeigt schematisch wie sich die Sonde aus Figur 1
verformt, wenn ihre Spitze 13 einer Kraft ausgesetzt wird, die
parallel zur Ebene der Sonde und in "y"-Richtung, senkrecht zur
"x"-Richtung, der Längsrichtung 14 des Arms 12, wirkt. Die
Stellungen der Abschnitte des Arms 12 in Abwesenheit einer
Deformationskraft sind durch die unterbrochenen Linien dargestellt,
wobei die Deformationsstellung unter Einfluß einer Kraft F in
y-Richtung durch die ununterbrochene Linie dargestellt ist. Die
Bewegung der Spitze 13 in y-Richtung aufgrund der Kraft F lag
bei ungefähr 0,775 bezogen auf ihre Bewegung in z-Richtung
(senkrecht zur Ebene in Figur 2) aufgrund einer Kraft gleicher
Größe in z-Richtung. Dies entspricht einer Federsteifheit in y-
Richtung, die dem 1,29-fachen der Federsteifheit in z-Richtung
entspricht. Im Gegensatz dazu beträgt die Federsteifheit des
Arms 12 in x-Richtung mehr als das 25-fache der Federsteifheit
in z-Richtung. Dementsprechend lagen die Resonanzfrequenzen der
Sonde in x-, y- und z-Richtung bei 29 kHz, 14 kHz bzw. 12 kHz.
Wenn die Abschnitte 12a und 12b des Arms 12 miteinander
ausgerichtet waren, wurde festgestellt, daß ein unerwünschter
Kopplungsgrad zwischen den Kräften und Bewegungen in y- und x-
Richtung auftrat; wenn jedoch die Abschnitte 12a und 12b nicht
auf einer Linie lagen, wie dargestellt, wurde festgestellt, daß
sich diese Kopplung zufriedenstellend auf nicht mehr als 15 %
verringerte.
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Die zuvor beschriebene Sonde wird bevorzugt, als ein Stück aus
einer Serie solcher Sonden, aus einer < 100> -Scheibe aus
monokristallinem Silizium hergestellt, die 280 µm dick sein kann und
auf beiden Seiten poliert ist. Zunächst wird, wie in Figur 3a
gezeigt, auf der oberen Oberfläche 16 der Scheibe 17, von der
nur ein Teilstückgezeigt ist, eine 1,5 µm dicke Schicht aus
thermischem SiO&sub2; in Form eines 8 µm x 8 µm großen, quadratischen
Flecks 18 an jeder Stelle, an der eine Spitze 13 geformt werden
soll, erzeugt. Eine ähnliche Schicht aus SiO&sub2; wird ebenfalls auf
der unteren Oberfläche der Scheibe (nicht gezeigt) erzeugt,
wobei die Bereiche der Scheibe nicht abgedeckt werden, deren
Scheibendicke auf eine Membran von einer Dicke von ungefähr
30 µm verringert werden soll, und zwar an jeder Stelle, an der
der mäanderförmige Ausleger der Sonde geformt werden soll.
Während die gesamte obere Oberfläche durch eine mechanische
Abdekkung oder ein mechanisches Futter (nicht gezeigt) geschützt ist,
wird die untere Oberfläche dann anisotrop mit 40 %igem KOH bei
60ºC geätzt, um die Membranbereiche 19 verringerter Dicke zu
formen. Vor oder nach diesem ersten Ätzschritt wird ein 6,5 µm
dickes Muster aus AZ 4562-Photolack 20 auf die obere Oberfläche
der Scheibe aufgebracht, belichtet und entwickelt, um die
mäanderartige Form jeder Sonde zu definieren, wobei jedes
Photolackmuster
außerdem, wie in Figur 3a gezeigt, einen der
quadratischen SiO&sub2;-Flecken 18, wo später die Sondennadel geformt wird,
abdeckt.
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Nach der Ausbildung der Membranbereiche 19 verringerter Dicke
dient das Photolackmuster 20 während des Schritts des
Reaktivionenätzens (reactive ion etching - RIE) als Maske, welches als
nächstes auf die obere Oberfläche 16 der Scheibe 17 unter
Verwendung eines C&sub2;CIF&sub5;/SF&sub6;-Gasgemisches angewendet wird, wodurch
relativ senkrechte Seitenwände 21 für die Teile 22 des durch den
Photolack 20 geschützten Siliziums geformt werden, wie in Figur
3b gezeigt. Der RIE-Schritt wird fortgeführt bis die obere
Oberfläche der Scheibe 17 so weit weggeätzt ist, daß die
Membranbereiche 19 (mit Ausnahme der Teile 22) nur noch als äußerst dünne
Restbänder 23 vorhanden sind, die die Teile 22 mit dem Rest der
Scheibe 17 verbinden.
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Der Photolack 20 wird dann entfernt, wobei die SiO&sub2;-Flecken 18
immer noch an ihren Plätzen verbleiben, sie dienen dann während
eines weiteren Ätzschritts, der ein Trockenplasmaätzschritt
unter Verwendung von SF&sub6;/O&sub2; sein kann, als Masken. Dieses
Gasgemisch sorgt für eine starke Unterätzung, wodurch die
erforderliche scharfe Siliziumspitze 13 (von der sich der Maskenfleck
18 dann ablöst) auf der oberen Oberfläche, wie in Figur 3c
gezeigt, hergestellt wird, darüber hinaus werden die Bänder 23
weggeätzt, um den so erhaltenen, integralen, in Figur 1
gezeigten Sondenaufbau, auszulösen. Alternativ kann dieses
abschließende Ätzen zum Formen der Spitze 13 auch durch ein
isotropes Naßätzverfahren unter Verwendung einer geeigneten
Ätzflüssigkeit, wie etwa einem Gemisch aus Salpeter-, Essig- und
Fluorwasserstoffsäure und Wasser, beispielsweise in einem
Verhältnis von zumindest ungefähr 35:10:10:1, erreicht werden.
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Es versteht sich, daß, auch wenn Figur 1 eine Sonde mit einem
Ausleger, der eine spezifische Mäanderform aufweist, zeigt,
innerhalb des Rahmens der Erfindung auch andere Mäanderformen
möglich sind. Der Ausleger kann beispielsweise aus einer Mehrzahl
von gewölbten Abschnitten, die in einer gemeinsamen Ebene
liegen
und an den Enden integral miteinander verbunden sind, wobei
wechselseitig benachbarte Abschnitte eine entgegengesetzte
Wölbung aufweisen, oder aus einer Mehrzahl von geraden Abschnitten
geformt sein, die in einer gemeinsamen Ebene liegen und an den
Enden integral miteinander verbunden sind, wobei wechselseitig
benachbarte Abschnitte in einem solchen Winkel zueinander
angeordnet sind, daß eine Zickzack-Mäanderform geformt wird.