DE69228681T2

DE69228681T2 - Submikron Spitzenanordnung mit gegenüberliegenden Spitzen

Info

Publication number: DE69228681T2
Application number: DE69228681T
Authority: DE
Inventors: Susanne Christine C/O At&T Bell Laborator. Murray Hill New Jersey 07974 Arney; Noel C. Ithaca Ny 14850 Macdonald; Jun Jason Ithaca Ny 14850 Yao
Original assignee: Cornell Research Foundation Inc
Current assignee: Cornell Research Foundation Inc
Priority date: 1991-05-14
Filing date: 1992-05-12
Publication date: 1999-07-22
Anticipated expiration: 2012-05-13
Also published as: EP0584233B1; US5449903A; DE69233641D1; ATE334477T1; WO1992020842A1; EP0907076A3; DE69233641T2; JPH06507718A; US5235187A; ATE177875T1; EP0584233A1; EP0907076A2; EP0907076B1; EP0584233A4; DE69228681D1

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Submikronspitzenstruktur bzw. -anordnung.
Rastersondenmikroskope sind Instrumente, die präzise Oberflächenmessungen durch die Verwendung einer Sonde liefern, welche in sehr enger Nähe zu der interessierenden Oberfläche positioniert ist. Die Sonde tastet die Oberfläche in einer gesteuerten Art und Weise ab, um Information zu liefern, die sich auf die Natur der Oberfläche bezieht, einschließlich deren Topographie sowie deren chemischer und elektronischer Struktur. Hochaufgelöste räumliche Messungen von Eigenschaften, wie Elektronenenergiezuständen, magnetischen Feldstärken und -richtungen, Wärmeleitfähigkeit und thermischem Ansprechen sowie interatomaren Kräften, können mit hoher Auflösung auf oder nahe atomaren Niveaus gemacht werden. In vielen Versionen solcher Einrichtungen wird eine bewegbare zugespitzte Spitze benutzt, die präzise in drei Dimensionen positioniert werden kann.
Eine der prinzipiellen Anwendungen der Rastersondenmikroskopie zieht Vorteile aus der räumlichen Selektivität der Elektronentunnelung, wobei eine Abtastsonde als die Apertur bzw. Öffnung des Mikroskops benutzt wird. Eine solche Einrichtung, die als Rastertunnelmikroskop (STM) bekannt ist, verwendet keine externe Strahlungsquelle zur Beleuchtung einer in Untersuchung befindlichen Probe, sondern verwendet stattdessen Elektronen, die bereits auf der Oberfläche der Probe und einer fein-zugespitzten Spitze, welche auf der beweglichen Sonde angebracht ist, vorhanden sind. Da die Einrichtung nicht durch die Wellenlänge einer Strahlungsquelle beschränkt ist, basiert ihre Auflösung auf einer Nahfeld-"Apertur bzw. -Öffnung", d. h. einem einzigen Atom im Durchmesser an der Spitze der Abtastsonde.
Das Rastertunnelmikroskop arbeitet dahingehend, daß eine extrem scharfe Sondenspitze innerhalb weniger atomarer Durchmesser von einer zu untersuchenden Oberfläche positioniert wird. Das STM liefert eine Vorspannung zwischen der Spitze und der Probe, so daß ein Elektronenfluß auftritt, wobei die Elektronen aus aufgefüllten Zuständen in der Oberfläche zu leeren Zuständen in der Spitze (oder umgekehrt) tunneln. Der Tunnelstrom wird an mehreren Punkten quer über die Oberfläche der Probe gemessen, und da der Strom gemäß dem Abstand zwischen der Spitze und der Oberfläche variiert, kann dieser Strom dazu benutzt werden, die Spitzenhöhe über der Oberfläche so zu steuern bzw. regeln, daß der Tunnelstrom konstant bleibt. Änderungen in den Steuer- bzw. Regelsignalen für das Positionieren der Sonde und zum Aufrechterhalten dieser Spitzenhöhe liefern ein Maß der Oberflächenkonfiguration. Da der Tunnelstrom außerdem eine Funktion der angewandten Spitze-zu-Probe-Spannung ist, gestattet es eine Variation der Vorspannung über einen gesteuerten bzw. geregelten Bereich, daß das STM spektroskopische Daten über die Probe liefert. Das Problem des Erzeugens einer extrem scharfen Sondenspitze ist in der Vergangenheit z. B.: dadurch gelöst worden, daß ein feiner Draht aus Wolfram, Platin oder Platin-Iridium durch Schneid-, Schleif oder Ätztechniken fein geschärft worden ist. Die Spitze wird mit Bezug auf die untersuchte Oberfläche typischerweise mittels eines Grobpositionierungsmechanismus, welcher ein Mikrometer oder einen ähnlichen mechanischen Mechanismus aufweisen kann, und eines Feinpositionierungsmechanismus, welcher die Verwendung eines piezoelektrischen Materials beinhalten kann, positioniert. Solche Anordnungen haben es ermöglicht, die STM-Spitze innerhalb von Bruchteilen eines Ångstroms gegenüber einer Oberfläche zu positionieren, so daß es dadurch ermöglicht wird, die Spitze dazu zu benutzen, kleine Mengen an Material oder sogar einzelne Atome in einer Oberfläche zu lokalisieren.
Da die Größe des Tunnelstroms zwischen einer Sondenspitze und einer Oberfläche exponentiell von dem Abstand zwischen den beiden abhängt, erzeugt ein Abnehmen um ein Ångstrom in diesem Abstand eine zehnfache Erhöhung im Tunnelstrom. Eine solche große Zunahme ermöglicht die Verwendung eines Konstantstromverfahrens des Aufrechterhaltens eines konstanten Abstands zwischen der abtastenden Spitze und der Probenoberfläche, und liefert demgemäß ein präzises Abfühlen und eine präzise Steuerung bzw. Regelung der räumlichen Position der Spitze. Diese präzise Steuerung bzw. Regelung ist die Basis für eine große Anzahl von Tunnel- bzw. Tunnelungseinrichtungen und -systemen in dem Stand der Technik. Die Beschreibungen von Rastertunnelmikroskopen sind zu finden in "Vacuum Tunneling: A New Technique for Microscopy" von Calvin F. Quate, Physics Tods, August 1986, Seiten 26 bis 33; in "Scanned-Probe Microscopes" von H. Kumar Wickramasinghe, Scientific American, Oktober 1989, Seiten 98 bis 105; und in dem U. S. Patent 4 912 822 für Zdeblick et al., das am 3. April 1990 herausgegeben worden ist.
Ein fortbestehendes Problem in solchen Einrichtungen ist das Vorsehen eines genauen Abfühlens des Abstands zwischen einer Spitze und einer abzufühlenden Oberfläche, und das Vorsehen einer schnellen und genauen Rückkopplung zum Bewegen der Spitze, um einen Kontakt zwischen der Spitze und der Oberfläche zu verhindern. Dieses erfordert ein Anbringen der Spitze mit niedriger Masse, so daß selbst winzige Rückkopplungssignale ausreichend sind, um eine Bewegung der Spitze zur Ermöglichung eines schnellen Abtastens einer Oberfläche zu bewirken. Weiter ist es, damit sie in der Mikroelektronik brauchbar ist, nötig, daß die Einrichtung nicht nur klein ist, sondern aus einem Material sein sollte, welches sie befähigt, integral mit den elektronischen Steuer- bzw. Regelschaltungen zu sein, die ihre Bewegung regulieren und die den Tunnelstrom detektieren. Vorzugsweise ist die Rastertunneleinrichtung aus Silicium, so daß sie auf einem Siliciumchip integriert werden kann.
Frühere Einrichtungen, die auf piezoelektrischen Wandlern zum Folgen von Oberflächenkonturen und zum Abtasten der Spitze beruhten, haben es erfordert, daß geeignete piezoelektrische Einrichtungen auf der Spitze oder auf ihrem Träger montiert wurden. Dieses hat den zusätzlichen Herstellungsschritt des Vorsehens von piezoelektrischem Material auf dem Spitzenträger erfordert, was die Herstellung der Einrichtung komplizierter und schwieriger macht. Weiterhin beeinträchtigt dieses zusätzliche Material die Masse der Abtasttunneleinrichtung und demgemäß deren Resonanzfrequenz, so daß dadurch die Steuerung bzw. Regelung der Bewe gung der Einrichtung beschränkt wird und demgemäß deren Betriebs- bzw. Operationsbereich beschränkt wird.
In früheren Abtasttunneleinrichtungen ist die Spitze benachbart einer abzutastenden Oberfläche montiert worden, wobei die Oberfläche zur Bewegung in der X-Y-Ebene angebracht war, während die Spitze in der vertikalen Richtung oder Z-Richtung bewegbar war, um einen Kontakt zwischen der Spitze und der planaren Oberfläche zu verhindern. Um einen hohen Grad an Steuerung bzw. Regelung einer solchen Bewegung vorzusehen, hat es sich als notwendig erwiesen, derartige Einrichtungen so aufzubauen, daß sie relativ steif sind. Jedoch beschränkt eine solche Steifigkeit nicht nur die Bewegung der Spitze, sondern vermindert außerdem deren Ansprechen auf Kräfte, wie Vibration oder Beschleunigung, so daß die Einrichtung weniger fähig ist, diese Parameter mit hoher Empfindlichkeit zu messen. Weiterhin liefert die Nähe der Spitze zu einer sich horizontal erstreckenden planaren Oberfläche keinen klar definierten Bezugspunkt für die Detektion der Relativbewegung, so daß demgemäß die Verwendung dieser Einrichtungen als Sensoren weiter beschränkt wird.
In Fig. 2 der EP-A1-262 253 sind gegenüberliegende Erhöhungen, die gerundete Oberflächen haben, bei einer Sensorbelastung mit atomarer Kraft gezeigt.

Abriß der Erfindung

Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, verbesserte Abtastsonden zur Verfügung zu stellen, die Spitzen im Nanometermaßstab für die Verwendung in einem weiten Bereich von Strukturen bzw. Anordnungen, wie analytischen Instrumenten, haben.
Es ist ein anderes Ziel der Erfindung, Abtasttunnelungsspitzen im Nanometermaßstab aus Einkristallsilicium für die Integration mit Schaltungschips herzustellen.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, gegenüberliegende, selbstabgefluchtete Sondenspitzen herzustellen, von denen eine als Bezug dient und von denen die andere relativ bezüglich des Bezugs bewegbar ist.
Ein noch weiteres Ziel der Erfindung ist es, mechanische Systeme integral auf einem Chip zur Ausnutzung von Bewegung im Nanometermaßstab in Sensoren und zugehörigen Instrumenten herzustellen.
Ein anderes Ziel der Erfindung ist es, Nanometermaßstabs-Einrichtungen zur Verfügung zu stellen, die integral aus Einkiristallsilicium ausgebildet und mit Siliciumchipstrukturen zusammengebaut bzw. in Siliciumchipstrukturen inkorporiert sind, und zwar zum Ansprechen auf Energiequellen, wie Schall, Licht, mechanische Bewegung, Molekulargehalt von Umgebungsmaterialien, und dergleichen.
Die vorliegende Erfindung ist auf eine Submikronspitzenstruktur bzw. -anordnung des unabhängigen Anspruchs 1 gerichtet. Spezielle Ausführungsformen sind durch die abhängigen Ansprüche 2 bis 73 angegeben.
Es wird eine erhöhte Empfindlichkeit für verschiedene Instrumente zur Verfügung gestellt, wie Atomkraftmikroskope und Abtast-Tunnelungs-Sensoreinrichtungen, und welche zum Messen von verschiedenen mechanischen, elektrischen oder chemischen Parametern verwendet werden können. Die Erfindung stellt außerdem eine außergewöhnliche Anbringungsstruktur für Abtast-Tunnelungs-Spitzen zur Verfügung, welche sowohl die Detektion als auch die Steuerung bzw. Regelung der Spitzenbewegung ermöglicht und als auch außergewöhnliche übereinandergeschichtete Spitzenstrukturen vorsieht. Weiterhin stellt die Erfindung neuartige Techniken für die Herstellung solcher Spitzen und der bewegbaren Träger, auf denen solche Spitzen angebracht werden können, zur Verfügung.
Die hohe Auflösung und die ausgezeichnete Musterungsfähigkeit der Mikrofabrikationsprozesse für integrierte Schaltungen werden auf die Herstellung von mikromechanischen Tunnelungseinrichtungen in Systemen angewandt, um ultrakleine Sensoren niedriger Masse zur Verfügung zu stellen, die hohe Eigenfrequenzen bei ausgezeichneter Toleranz gegenüber Störungen durch schwaches bzw. tiefes Rauschen haben. In Mikrofabrikationstechniken wird die selektive Oxidation von Einkristallsilicium ausgenutzt, um elektrisch und thermisch isolierte, freigesetzte Einkristallsiliciumstrukturen, wie Träger und Inseln, zu erhalten, und um selbstausgerichtete bzw. -gefluchtete Spitzen im Nanometermaßstab zu erhalten, die von solchen Trägern oder Inseln getragen sind. Andere Materialien, wie Siliciumoxid und Siliciumnitrid, können außerdem dazu benutzt werden, eine Isolation und Unterstützung bzw. einen Halter für solche Spitzen und ihre haltenden Träger vorzusehen. Die Verfahren erzeugen selbstausgerichtete Spitzen, welche konische Formen oder Keilformen in entweder horizontalen oder vertikalen Paaren oder Übereinanderschichtungen auf bewegbaren Trägern haben. Diese Träger sind von dem darunterliegenden Substrat, wie durch selektives Entfernen von tragendem Material, getrennt, um freitragende und isolierte Strukturen vorzusehen, welche eine relative dreidimensionale Bewegung der Spitzen in den fluchtenden Paaren gestatten.
Das Herstellungsverfahren beginnt mit einer Struktur, die z. B. aus einer Insel besteht, welche von einem darunterliegenden Substrat durch selektive laterale Oxidation isoliert wird. Dieser Oxidationsprozeß, der vorzugsweise in einem Einkristallsiliciumsubstrat ausgeführt wird, ist in dem Artikel mit dem Titel "Formation of Submicron Silicon-on-Insulator Structures by Lateral Oxidation of Substrate-Silicon Islands", Journal of Vacuum Science Technology B6(1), Januar/Februar 1988, Seiten 341 bis 345, von S. C. Arney et al. beschrieben, und erzeugt Inseln aus Silicium, die durch ein thermisches Oxid getragen sind, welches seinerseits durch ein Substratsilicium getragen ist. Der Prozeß beginnt mit der Definition bzw. Begrenzung von z. B. 250 nm breiten Inseln oder Tafeln bzw. Mesas in einem Substratmaterial, wie Einkristallsilicium. Die Inseln sind aus dem gleichen Material wie das Substrat und sind auf der oberen Substratoberfläche getragen. Die Inseln werden auf der Oberseite und den Seitenwänden mit einer Siliciumnitridoxidationsmaske abgedeckt. Die Struktur wird dann isotrop oder anisotrop um den Boden der Maske vertiefungsgeätzt, um die Basen der Inseln zu verengen, und die Basen werden in einer seitlichen Richtung oxidiert, um isolierte Inseln zu erzeugen. Der Grad der Isolation von jeder übrigbleibenden Insel wird durch Steuern der seitlichen Oxidation des Materials, welches die Inseln mit dem darunterliegenden Substrat verbindet, zugeschnitten. Durch Steuern dieser letzteren Oxidation wird das Substratmaterial an den Basen der Inseln selektiv oxidiert, bis sich verjüngende Filamente des Substratmaterials von 10 bis 100 nm in der Weite zwischen den Inseln und dem darunterliegenden Substrat ausgebildet sind. Durch weitere Oxidation können diese Filamente an den engsten bzw. schmalsten Teilen der sich verjüngenden Verbindungen eliminiert werden, so daß eine obere und eine untere selbstabgefluchtete, gegenüberliegende Spitze bleibt, die Enden haben, welche bis zu dem Durchmesser des verbindenden Filaments, oder weniger, verjüngen, so daß demgemäß an den Enden der Spitzen Dimensionen im Nanometerbereich erzeugt werden.
Die Musterbildung und das Ätzen des Substrats zum Erzeugen der Inseln kann auch dazu verwendet werden, einen Träger zu erzeugen, auf dem eine der selbstabgefluchteten, gegenüberliegenden Spitzen lokalisiert ist, während die andere Spitze auf dem darunterliegenden Substrat lokalisiert ist. Durch selektives Entfernen von oxidiertem Material von dem Bereich um die Spitzen und um die Teile der Trägerstruktur kann der Träger mechanisch freigesetzt werden, um es ihm zu ermöglichen, sich mit Bezug auf das Substrat zu bewegen, so daß dadurch eine Relativbewegung zwischen den beiden gegenüberliegenden selbstabgefluchteten Spitzen vorgesehen wird. Diese Struktur gegenüberliegenden Spitzen kann in mikroskopischen Versionen von analytischen Instrumenten verwendet werden, welche vollständig mit elektronischen Schaltungen auf einem Halbleiterchip integriert sind. Solche Instrumente umfassen außergewöhnliche Sensoren und Emitter, in denen die selbstabgefluchteten gegenüberliegenden Spitzen der Erfindung inkorporiert bzw. eingebaut sind, und verwenden elektronische Schaltungen auf dem gleichen Chip, welcher die Spitzen trägt und welcher z. B. die Relativposition von einer Spitze mit Bezug auf die andere detektieren kann, die Zusammensetzung von Beschichtungen bestimmen kann, welche auf den Spitzen ausgebildet sind, oder die Zusammensetzung von Materialien, die von den Spitzen absorbiert sind, und verschiedene andere Parameter messen kann durch Detektieren und Messen der Tunnelungs- bzw. Tunnelströme, der Kapazität und/oder der Feldemissionen zwischen den Spitzen.
In ihrer einfachsten Form ist es ein einzelner Träger, der eine Spitze aus einem Paar von gegenüberliegenden, abgefluchteten Spitzen trägt und als ein Freiträger mit einer langgestreckten Achse angebracht ist, die sich über eine stationäre Oberfläche erstreckt, auf welcher die zweite Spitze des Paars von gegenüberliegenden Spitzen lokalisiert ist. Der Abstand zwischen den beiden Spitzen kann z. B. durch den Stromfluß zwischen den Spitzen gemessen werden, und die laterale oder vertikale Bewegung der trägermontierten Spitze mit Bezug auf die stationäre Spitze kann leicht detektiert werden, wie durch Messen der Änderungen in den Stromfluß zwischen den Spitzen, um eine Empfindlichkeitsindikation der Spitzenposition oder -bewegung vorzusehen. Wenn es gewünscht wird, kann ein zweiter, separater Freiträger-Träger mit seiner Längsachse unter einem Winkel zu der Achse des ersten Trägers angebracht sein, so daß es die Lateral- und Vertikalbewegung der beiden Träger in Kombination wirksam ermöglicht, Vibration oder andere Bewegung in irgendeiner bzw. jeder Richtung zu detektieren. Eine Mehrzahl von selbstabgefluchteten Spitzen kann auf den Freiträger-Trägern und auf der benachbarten Oberfläche angebracht sein, um, wenn es gewünscht wird, einen breiteren Bereich von Messungen vorzusehen, und es können zusätzliche Träger wie auch übereinandergeschichtete Spitzen ebensogut vorgesehen sein.
Die Querschnittsformen der gegenüberliegenden Spitzen hängen von den Formen der Inseln ab, aus denen sie ausgebildet sind, und von der präzisen Steuerung der Ätz- und Oxidationsschritte, die zum Ausbilden derselben angewandt werden. Demgemäß können die Spitzen generell konisch in der Form sein, sie können keilförmig sein, sie können pyramidal sein, oder sie können andere Querschnittsformen haben. Abgefluchtete, gegenüberliegende konische Spitzen werden generell coaxial, wenn sie hergestellt sind, und sie können in irgendeiner bzw. jeder Ausrichtung auf einem Substrat sein. Generell sind konische Spitzen auf einer Achse ausgerichtet, die senkrecht zu der Oberfläche des darunterliegenden Substrats ist, aber die Achse kann auch parallel zu jener Oberfläche sein, oder unter einem gewissen Zwischenwinkel oder einer anderen Ausrichtung, wenn das gewünscht wird. Keilförmige Spitzen sind generell langgestreckt und verjüngen sich zu einer feinen Linie, wobei gegenüberliegende, abgefluchtete keilförmige Spitzen coplanar sind. Solche keilförmige Spitzen sind gewöhnlich in einer Ebene ausgerichtet, die senkrecht zu der Oberfläche des darunterliegenden Substrats ist, aber jene Ebene kann auch parallel zu dem Substrat oder unter einem gewissen Zwischenwinkel oder einer anderen Ausrichtung sein, wenn das gewünscht wird. Eine Mehrzahl von Paaren von coaxialen oder coplanaren Spitzen kann als übereinandergeschichtet bezeichnet werden.
In der folgenden Beschreibung sind vertikal abgefluchtete Spitzen jene, welche coaxial oder coplanar sind. Solche Spitzen können hier als abgefluchtet längs einer Vertikalachse oder - ebene veranschaulicht sein, d. h. auf einer Achse oder in einer Ebene, die senkrecht zu der horizontalen Oberfläche des darunterliegenden Substrats ist, und zwar aus Bequemlichkeit der Beschreibung, jedoch versteht es sich, daß solche abgefluchtete Spitzen in irgendeiner bzw. jeder gewünschten Ausrichtung mit Bezug auf das darunterliegende Substrat sein können. Es versteht sich weiter, daß eine Mehrzahl von Spitzen längs einer gemeinsamen Achse hergestellt sein kann, entweder in gegenüberliegenden Paaren oder in solchen Paaren in Kombination mit einzelnen abgefluchteten Spitzen. Solche Spitzen werden hier als übereinandergeschichtete Spitzen oder übereinandergeschichtete Paare von Spitzen bezeichnet.
Der Träger oder die Träger, welcher bzw. welche die Spitzen tragen bzw. halten kann bzw. können durch die gleichen Musterbildungs- und Ätztechniken ausgebildet werden, die zum Ausbilden der Spitzen verwendet werden, um montierende Federn einzubauen, welche sowohl eine axiale wie auch eine laterale Bewegung von dem einen oder mehreren Trägern mit Bezug auf eine benachbarte Substrat-, Basis- oder Haltestruktur gestatten. Außerdem können die Träger so ausgebildet sein, daß kapazitive oder magnetische Antriebsstrukturen eingearbeitet bzw. damit vereinigt sind, welche durch geeignete Potentialdifferenzen oder Magnetfelder erregt wer den können, um Bewegung in den Trägern zu erzeugen. Darüberhinaus können piezoelektrische Filme auf den Trägern inkorporiert sein.
Ein Paar von coplanaren linearen Trägern kann so angebracht sein, daß sie einander schneiden, vorzugsweise unter rechten Winkeln, wobei die Träger an ihrer Schnittstelle miteinander verbunden sind, um einen X-förmigen Spitzenhalter in der durch die Träger definierten Ebene auszubilden. Die Träger sind mittels Axialfedern so angebracht, daß jeder Träger axial und lateral innerhalb einer horizontalen Ebene, die durch die Träger definiert ist, bewegbar ist, und so die Schnittstelle in einer Richtung senkrecht zu jener Ebene bewegbar ist. Die Federn ermöglichen nicht nur eine Bewegung der Träger, sondern halten dieselben mit Bezug auf ihre Haltestruktur an Ort und Stelle. Eine Spitze eines selbstabgefluchteten Spitzenpaars ist an der Schnittstelle der Träger ausgebildet, um die Relativbewegung der Träger mit Bezug auf eine zweite Spitze des selbstabgefluchteten Spitzenpaars zu detektieren, wobei die zweite Spitze in Fluchtung mit der ersten Spitze angebracht ist. Die zweite Spitze kann auf einer planaren Oberfläche benachbart den Trägern ausgebildet sein, so daß sie stationär ist, oder sie kann auf einem freitragenden Träger oder einem zweiten Paar von gekreuzten Trägern, die auch einen X- förmigen Spitzenhalter bilden, angebracht sein. Ein solches zweites Paar von gekreuzten Trägern kann auch mittels Federn so angebracht sein, daß es in einer Ebene liegt, die parallel zu der Ebene des ersten Paar von einander schneidenden Trägern ist, wobei jeder X-förmige Spitzenhalter in X- und Y-Richtung in seiner eigenen Ebene und in einer Z-Richtung senkrecht zu der X-Y- Ebene bewegbar ist. Die Ebenen der beiden Spitzenhalter sind, ob nun der zweite Halter stationär ist oder ein bewegbarer zweiter Träger oder ein bewegbares zweites Paar von Trägern ist, parallel zueinander und eng beabstandet, wobei die Spitzen selbstabgefluchtet sind. Jedes Paar von Trägern in der linearen gekreuzten Trägerkonfiguration trägt vorzugsweise entsprechende kapazitive Antriebsstrukturen zum Steuern bzw. Regeln und Abfühlen der Bewegung der jeweiligen Träger und demgemäß der Spitzen, die sie tragen, in der X-Y-Ebene (Horizontalebene), und kann auch ähnliche Antriebsstrukturen zum Steuern bzw. Regeln oder Abfühlen der Bewegung in der Z-Richtung (vertikale Richtung) eingearbeitet haben. Der horizontale kapazitive Antrieb besteht aus bewegbaren "kamm"-förmigen Kondensatoren, die auf jedem Ende von jedem Träger zwischen den jeweiligen Federn und der Haltestruktur für den Träger angebracht sind. Die Federn dienen als eine mechanische Vorspannung zum Erzeugen von Rückführkräften, wenn die Träger durch Erregung der Antriebskondensatoren bewegt werden. Zusätzlich können gegenüberliegende kapazitive Platten auf den Trägern oder auf benachbarten Strukturen zum Steuern bzw. Regeln und Abfühlen der vertikalen Bewegung vorgesehen sein. Eine solche Struktur gestattet eine präzise und genaue Steuerung bzw. Regelung und/oder Messung der Relativbewegung zwischen gegenüberliegenden abgefluchteten Spitzen, um eine weite Vielfalt von mikroskopischen und analytischen Messungen zu ermöglichen. Eine solche Einrichtung kann eine Siliciumfläche von angenähert 40 um · 20 um einnehmen, und zwar einschließlich der Stellantriebe und Federn, sie kann leicht in eine integrierte Schaltungseinrichtung inkorporiert sein, und sie kann eine Verlagerung von 400 nm an den Spitzen erzeugen. Eine konventionelle piezoelektrische Einrichtung erfordert andererseits eine Einrichtung von 2 mm Länge, um die gleiche Verlagerung zu erzeugen.
Die "Kamm"-Antriebsstruktur verwendet ineinandergreifende Platten bzw. doppelkammartige Platten, welche parallel zu der Achse des haltenden Trägers sind, auf dem sie angebracht ist. Diese Anordnung hat den Vorteil des Erzeugens einer Antriebskraft, die mit der Verlagerung konstant ist und kann eine große Axialbewegung in dem Träger aufnehmen. Jedoch erlaubt die Kammstruktur nicht sehr viel seitliche Bewegung, so daß sie Schwierigkeiten für die zweidimensionale Bewegung in der X-Y-Ebene bietet, die für viele Sensor- und Instrumentanwendungen benötigt wird. Demgemäß sind, die selbstabgefluchteten, gegenüberliegenden Spitzen an der Schnittstelle eines Paars von gekreuzten versetzten Trägern ausgebildet, worin jeder Träger aus zwei gegenüberliegenden bzw. entgegengesetzten, generell L-förmigen Trägersegmenten bzw. -abschnitten ausgebildet ist, wobei entsprechende Schenkel der Segmente miteinander durch einen Spitzenhalteschenkel zur Ausbildung des Trägers verbunden sind. Die Schnittstelle der Spitzenhalteschenkel der beiden Träger bildet einen X-förmigen Spitzenhalter, welcher eine der Spitzen des Paars von gegenüberliegenden, selbstabgefluchteten Spitzen trägt, wobei die andere Spitze des Paars z. B. auf dem darunterliegenden Substrat ausgebildet ist. Kapazitive Platten sind auf den Seiten von jedem der Trägersegmente bzw. -abschnitte ausgebildet, um die Segmente bzw. Abschnitte lateral zu bewegen, wobei die Elastizität des Materials, aus dem die Träger ausgebildet sind, und die Länge der Träger dazu dienen, die Federwirkung vorzusehen, welche für die angemessene Steuerung bzw. Regelung der Bewegung des X-förmigen Spitzenhalters erforderlich ist. Diese Anordnung eliminiert die Notwendigkeit, axiale Federn in den Halteträgern auszubilden, wie es bei linearen Trägern erforderlich ist, obwohl solche Federn auch eingearbeitet werden können, wenn das gewünscht wird.
Die Halteträger und die selbstabfluchteten Spitzen werden gemäß einer bevorzugten Form der Erfindung dadurch ausgebildet, daß zunächst ein Substrat, wie eine Einkristallwafer, mit einem Muster versehen wird, um eine aufrechte Insel oder Tafel bzw. Mesa zu begrenzen, die in der Aufsicht von oben die Form oder das Muster des gewünschten Halteträgers oder der gewünschten Halteträger, der Haltefedern, der Antriebskondensatoren, und dergleichen hat. Die Insel wird maskiert, geätzt und oxidiert, um ausgewählte Oberseitenteile der Insel aus dem tragenden Substrat zum Begrenzen bzw. Definieren eines isolierten Trägers oder einer anderen Struktur zu isolieren, wobei der Oxidierschritt zur gleichen Zeit an einem oder mehreren ausgewählten Orten eine gegenüberliegende obere und untere Spitzenstruktur ausbildet, welche sich zwischen dem getrennten Oberseitenteil der Insel, d. h. dem Träger, und dem darunterliegenden Substrat erstrecken. Das Oxid zwischen dem Träger und dem Substrat wird dann an ausgewählten Orten entfernt, um den Träger physisch von dem Substrat zu trennen, so daß der Träger bewegbar ist, und so, daß die von dem Träger getragene Spitze mit Bezug auf ihre gegenüberliegende Spitze auf dem Substrat bewegbar ist.
Der Träger ist vorzugsweise innerhalb einer Ausnehmung lokalisiert, welche während der Herstellung des Trägers in dem Substrat ausgebildet wird. Ein Ende des Trägers ist fest angebracht, wie auf einer vertikalen Wand der Ausnehmung, auf einem in der Ausnehmung ausgebildeten Sockel oder auf irgendeiner anderen Haltestruktur innerhalb der Ausnehmung, wobei sich ein bewegbarer Teil horizontal weg von dem Halter erstreckt und über dem Baden der Ausnehmung mit Abstand angeordnet ist. Das fixierte Ende des Trägers kann teilweise durch das Oxid gehalten sein, welches zwischen dem Träger und dem Substrat ausgebildet ist, wobei das meiste jenes Oxids entfernt wird, um das bewegbare Ende des Träger freizumachen. Ein Oxidationsschritt kann dazu benutzt werden, ausgewählte Teile des Trägers und seine Spitze von seiner Haltestruktur elektrisch zu isolieren, und es können elektrische Leitungen über der Isolation vorgesehen sein, um die Spitzen mit geeigneten elektrischen Schaltungen zu verbinden, die in dem Träger selbst oder in dem umgebenden Substrat ausgebildet sind. Andere isolierende Materialien, wie Siliciumnitrid, können auch dazu verwendet werden, eine elektrische Isolation der Spitzen vorzusehen. Außerdem können Spitzen auf den Oberseiten der Träger durch angemessene Abwandlung des Herstellungsprozesses ausgebildet werden, und es können übereinandergeschichtete Paare von Spitzen und Halteträgern ausgebildet werden.
Die Einrichtung wird in der einen Form der Erfindung auf einem hoch mit Arsen dotiertem Siliciumwafersubstrat (100) mit einem spezifischen Volumenwiderstand von 0,005 ohn-cm oder weniger hergestellt. Eine dielektrische Übereinanderschichtung, die aus beiden Oxiden und Nitrid besteht, wird auf der Oberseitenoberfläche der Wafer abgelagert, um als die Oberseitenmaske für die spätere Siliciumeinschnittätzung und -isolationsoxidation zu dienen. Ausgebildete Muster werden auf die dielektrische Übereinanderschichtung unter Verwendung von Elektronenstrahllithographie hoher Auflösung und anisotroper reaktiver Ionenätzung (RIE) in einer CHF&sub3;-Chemie übertragen. Das Substratsilicium wird dann unter Benutzung von RIE in einer Cl&sub2;/BCl&sub3;-Chemie geätzt, um Siliciumeinschnitte von gewünschten Tiefen auszubilden, welche aufrechte Inseln auf dem Substrat begrenzen. Eine Seitenwandoxidationsmaske wird durch Ablagern einer zweiten Übereinanderschichtung ausgebildet, die sowohl aus Oxid als auch aus Nitrid besteht; diese dielektrische Übereinanderschichtung wird dann anisotrop zurückgeätzt unter Verwendung eines CHF&sub3;-RIE-Prozesses, wobei nur der Seitenwandteil der zweiten dielektrischen Übereinanderschichtung intakt gelassen wird. Eine Siliciumausnehmungsätzung wird ausgeführt, um eine höhere Lateraloxidationsrate zu ermöglichen. Eine Hochtemperaturoxidation folgt, um dadurch Siliciumträger zu definieren bzw. begrenzen, die elektrisch von dem Substrat isoliert sind. Es ist zu beachten, daß durch selektives Abtreifen bzw. Stripping Teile der Oxidationsmaske vor der Oxidation, mechanisch angebrachte Siliciumträger elektrisch voneinander isoliert werden können, um es zu ermöglichen, daß jedes Segment bzw. jeder Abschnitt individuell adressierbar ist.
Nachfolgend auf die Oxidation werden Kontaktfenster durch selektives Ätzen der oberen dielektrischen Übereinanderschichtung unter Verwendung eines CHF&sub3;-RIE-Prozesses geöffnet.
Der Metallisierungsschritt wird mit einer Aluminiumabhebung unter Verwendung eines Dreischichtprozesses vollendet, der eine dicke Schicht aus Polyimid beinhaltet, welche die Siliciuminseln plan macht. Das Feldoxid wird dann unter Verwendung einer gepufferten HF-Lösung selektiv entfernt, das setzt die Silicium/Dielektrik-Träger frei und läßt sie sich frei über der Substratsiliciumwaferoberfläche bewegen.
Abwandlungen in den vorstehenden Strukturen und Prozessen bzw. Verfahren erzeugen Einrichtungen, die einen weiten Bereich an Nützlichkeit haben. Z. B. kann eine der Spitzen für die lithographische Fluchtung bzw. Ausrichtung eines Merkmals mit Bezug auf die andere Spitze verwendet werden. Die bewegbare Trägerspitzenhaltestruktur kann in einem anderen Beispiel dazu benutzt werden, eine zugespitzt Siliciumspitze mit Bezug auf eine Oberfläche zu bewegen, um als ein Abtasttunnelungs- bzw. -tunnelmikroskop zu dienen. Alternativ kann eine der Spitzen eines gegenüberliegenden Paars von ihrer Haltestruktur entfernt werden, um eine Öffnung auszubilden, und die übrigen Spitzen können mit Bezug auf die Öffnung bewegt werden, um als eine Elektronenmikroskopkathode zu funktionieren. In dieser letzteren Ausführungsform kann die Öffnung dazu benutzt werden, ein hohes elektrisches Feld an der übrigen Spitze zu erzeugen, so daß die Spitzen Elektronen emittiert, welche dann durch die Öffnung hindurchgehen.
In anderen Ausführungsformen können die Siliciumspitzen reoxidiert werden, um isolierte Spitzen für Atomkraftmikroskope zu bilden, oder sie können konform mit Metal, wie durch chemische Dampfablagerung erzeugtes Wolfram, beschichtet werden, um Metallspitzen zu erzeugen. Die Spitzen können auch dazu benutzt werden, umgebende Materialien für spektroskopische Untersuchungen zu absorbieren, und sie sind für eine breite Vielfalt an anderen Funktionen verfügbar.
Obwohl die Erfindung ein Paar von gegenüberliegenden Spitzen aufweist, wobei die oberste Spitze des Paars nach abwärts nach einer nach aufwärts gerichteten unteren Spitze gewandt ist, kann das obige Herstellungsverfahren auch dazu verwendet werden, einzelne Spitzen, vertikal übereinander geschichtete mehrfache Paare von Spitzen, oder Paare in Kombination mit einer nach aufwärts gerichteten oder vorstehenden, letzten Spitze auf der Oberseite der Übereinanderschichtung vorzusehen. Solche Sätze von vertikal übereinandergeschichteten Sondenspitzenpaaren können durch eine Seitenwandmusterungstechnik hergestellt werden, welche die Öffnung von unabhängigen Fenstern in dem Seitenwandnitrid, das von den Siliciuminseln getragen wird, vor dem selektiven seitlichen Isolationsoxidationsschritt gestattet. Die nach aufwärts vorstehende letzte Spitze kann entweder durch Entfernen der oberen Spitze eines Paars hergestellt werden, um die untere Spitze aufzudecken, oder durch Musterbildung des Seitenwandnitrids vor dem selektiven seitlichen Isolationsoxidationsschritt, so daß eine Oxidation des Oberseitenteils der Insel ermöglicht wird.
Der Prozeß kann dazu verwendet werden, nicht nur selbstabgefluchtete Paare und übereinandergeschichtete Paare von generell konischen Spitzen herzustellen, sondern auch selbstabgefluchtete Paare und übereinandergeschichtete Paare von keilartigen Spitzen. Es können Strukturen hergestellt werden, welche mehrere selbstabgefluchtete Spitzenstrukturen eingearbeitet haben, worin die Spitzen an beabstandeten Stellen ausgebildet sind, um z. B. grobe und feine Messungen von Relativbewegung vorzusehen. Weiterhin kann, da die Spitzenstrukturen der Erfindung in Silicium ausgebildet werden, das gleiche Substrat, in dem die Einrichtungen hergestellt werden, auch bei bzw. zu der Herstellung von integrierten elektronischen Einrichtungen und Schaltungen verwendet werden, wobei diese Schaltungen elektrisch mit Kondensatoren verbunden werden können, die auf den Trägern ausgebildet und mit den bewegbaren Spitzenstrukturen verbunden sind, um Antriebssignale für die Bewegung in der X-, Y- und Z-Richtung vorzusehen und um Verstärker zum Abfühlen und Verstärken von Signalen vorzusehen, die von dem Strom abgeleitet sind, welcher, zwischen den gegenüberliegenden Spitzen fließt. Die Träger können so geformt und bemessen sein, daß sie den gewünschten Betrag an Empfindlichkeit oder Steifigkeit erzeugen, um einen weiten Bereich an Abfühlfunktionen zu gestatten, und es kann eine Vielfalt von Wandlern, wie Kondensatoren, Dünnfilmpiezoelektrikmaterial und dergleichen, dazu verwendet werden, die Bewegung der Spitzen abzufühlen und zu steuern bzw. regeln.
Obwohl die bewegbaren Träger so dargestellt sind, daß sie als Freiträger auf den Wänden von Ausnehmungen angebracht sind, die in dem tragenden Substrat ausgebildet sind, versteht es sich, daß auch andere Haltestrukturen vorgesehen sein können. Z. B. können die Träger auf Sockeln auf dem Substrat angebracht sein, welche von den Ausnehmungs- bzw. Vertiefungswänden beabstandet sein können und welche das gleiche Material wie das Substrat sein können oder ein Oxid sein können, das während des Herstellungsverfahrens gebildet worden ist. Weiter brauchen die Träger nicht horizontal zu sein, und es ist nicht nötig, daß sie parallel zu einem darunterliegenden Substratboden sind, vielmehr können sie in irgendeiner bzw. jeder gewünschten Ausrichtung ausgebildet sein. Die Spitzen oder Keile können horizontal abgefluchtet oder vertikal abgefluchtet sein, wie hier veranschaulicht ist, jedoch versteht es sich, daß dieses aus Einfachheit der Beschreibung geschieht und daß die Fluchtungsachse von gegenüberliegenden Spitzen in irgendeiner bzw. jeder gewünschten Ausrichtung sein kann.
Obwohl verschiedene Anordnungen von einzelnen und übereinandergeschichteten Spitzen möglich sind, wird es generell bevorzugt, daß wenigstens eine Spitze einer Übereinanderschichtung oder Anordnung stationär relativ zu den übrigen Spitzen ist, um als Fixpunkt oder Bezugspunkt für das Detektieren und Messen der Bewegung oder anderer Parameter zu dienen. Die Verwendung einer aufrechten Spitze, die sich über eine umgebende Oberfläche erstreckt, ist besonders brauchbar als ein solcher Fixpunkt, und zwar nicht nur deswegen, weil sie leicht mit einer gegenüberliegenden Spitze zu lokalisieren ist, sondern weil sie die Verwendung von kapazitiven, Feldemissions- und/oder Tunnelungs- bzw. Tunneleffekten für die Messung eines weiten Bereichs von Parametern gestattet. Ein seitliches Spitzenpaar kann ähnlich mit einer beweglichen und einer ortsfesten Spitze konfiguriert sein, wobei die ortsfeste Spitze als ein Fixpunkt dient und die Verwendung von kapazitiven, Feldemissions- und/oder Tunnelungs- bzw. Tunneleffekten gestattet.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die vorstehenden und zusätzliche Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann aus den folgenden detaillierten Beschreibungen von bevorzugten Ausführungen derselben ersichtlich, und zwar genommen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, in denen:
Fig. 1 und 1A perspektivische Ansichten eines freitragenden Trägers sind, der selbstabgefluchtete konische Spitzen in Nanometerabmessung gemäß der vorliegenden Erfindung eingearbeitet hat;
Fig. 2 in tabellarischer Form die Verfahrensschritte veranschaulicht, die dazu benutzt werden, die verschiedenen Querschnitte einer Struktur auszubilden, welche gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wird;
Fig. 3 eine Aufsicht von oben auf eine Struktur ist, die lineare Spitzenhalteträger eingearbeitet hat, welche gemäß dem Verfahren der Fig. 2 hergestellt sind;
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht der Struktur der Fig. 3 ist;
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines Paars von gegenüberliegenden, selbstabgefluchteten keilartigen Spitzen ist, die gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet sind;
Fig. 6 eine Seitenaufrißansicht einer abgewandelten Spitzenstruktur zum Einarbeiten einer MOSFET-Einrichtung ist;
Fig. 7 eine perspektivische Ansicht einer Inselstruktur mit einer Schutzmaske für das Ausbilden von horizontalen, selbstabgefluchteten keilartigen Spitzen gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 8 eine Querschnittsansicht der Struktur der Fig. 7 ist;
Fig. 9 eine perspektivische Ansicht von horizontalen selbstausgerichteten bzw. -abgefluchteten keilartigen Spitzen ist, die aus der Struktur der Fig. 7 ausgebildet sind;
Fig. 10 eine Veranschaulichung eines bevorzugten Verfahrens zum Ausbilden von selbstausgerichteten, mehrfachen, vertikal übereinandergeschichteten Spitzen in tabellarischer Form ist, welche keilförmige konische Spitzen sein können, die in Paaren ausgebildet sind;
Fig. 11 eine Veranschaulichung einer Alternative zu dem Verfahren der Fig. 10 in tabellarischer Form ist, worin die oberste Spitze eine einzelne Spitze ist;
Fig. 12 eine Veranschaulichung eines anderen Verfahrens zum Herstellen von mehrfachen vertikal übereinandergeschichteten Spitzen in tabellarischer Form ist, worin die oberste Spitze eine einzelne Spitze ist;
Fig. 13 in tabellarischer Form ein noch anderes Verfahren zum Herstellen von mehreren vertikal übereinandergeschichteten Spitzen veranschaulicht;
Fig. 14 eine Aufsicht von oben auf eine Struktur ist, die versetzte Spitzenhalterträger eingearbeitet hat, welche gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt sind;
Fig. 15 eine schematische Darstellung einer Trägerstruktur ist, die unter Verwendung einer Vielfalt an Konstruktionstechniken für einen Träger, der fähig ist, mehrere Spitzen zu tragen, ausgebildet worden ist;
Fig. 16 in tabellarischer Form die Verfahrensschritte für den Träger der Fig. 12 veranschaulicht;
Fig. 17 eine schematische Darstellung einer Struktur zum Erzeugen einer Z-Achsen- Bewegung ist;
Fig. 18 eine schematische Darstellung einer Spitzenstruktur ist, die in einem Rasterelektronenmikroskop verwendbar ist;
Fig. 19 eine schematische Darstellung einer Spitzenstruktur ist, die in einem Atomkraftmikroskop verwendbar ist;
Fig. 20 die Verwendung einer horizontalen Spitzenstruktur als ein Bewegungssensor veranschaulicht;
Fig. 21 eine Teilperspektivansicht einer Struktur ist, die gemäß dem Verfahren der Fig. 12 ausgebildet worden ist;
Fig. 22 in tabellarischer Form ein Verfahren zum Herstellen von horizontalen selbstausgerichteten bzw. -abgefluchteten gegenüberliegenden Spitzen veranschaulicht; und
Fig. 23 eine perspektivische Ansicht eines Paars von gegenüberliegenden Spitzen ist, die gemäß dem Verfahren der Fig. 22 ausgebildet worden sind.

Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen

Ein Beispiel einer selbstausgerichteten, dualen Spitzenstruktur für analytische Instrumente gemäß der vorliegenden Erfindung ist generell bei 10 in Fig. 1 gezeigt, worauf nun Bezug genommen wird. Wie dort gezeigt ist, ist eine erste, generell konische Spitze 12 auf einem horizontalen planaren Boden 14 einer Ausnehmung 16 ausgebildet, die in einem umgebenden Substratmaterial 18 gebildet ist, das auf einer Basis 20 getragen ist. Das Substrat 18 und die Spitze 12 sind integral aus dem gleichen Material ausgebildet, welches vorzugsweise ein Einkristallsilicium, polykristallines Silicium oder amorphes Silicium ist. Das Substrat kann eine Membrane sein, ist jedoch vorzugsweise auf einer Basis 20, welche eine isolierende Wafer sein kann, durch Bonden bzw. Kleben, Zonenschmelzen, Rekristallisation oder dergleichen angebracht. Die Spitze 12 ist vollständig in das Substratmaterial 18 integriert; d. h., sie ist als ein Teil des kristallinen Substrats, anstatt auf dasselbe hinzugefügt zu sein, ausgebildet, und sie wird während der Bildung von anderen Komponenten der Einrichtung hergestellt, wie erläutert werden wird.
Über und abgefluchtet mit der Spitze 12 ist eine zweite, gegenüberliegende, generell konische Spitze 22 positioniert, die vorzugsweise auch aus dem Einkristallsiliciummaterial des Substrats 18 zur gleichen Zeit wie die Spitze 12 hergestellt wird. Diese Spitze 22 ist vorzugsweise zur Relativbewegung mit Bezug auf die Spitze 12, wie mittels eines freitragenden Trägers 24 angebracht, der auf einem stationären Halter, wie dem Wandteil 26 der Ausnehmung 16 angebracht ist und sich von der Wand nach auswärts in die Ausnehmung erstreckt. Der Träger er streckt sich über dem Boden 14 der Ausnehmung und ist parallel zu dem Boden 14 in der veranschaulichten Ausführungsform, und er ist so ausgebildet, daß er eine gewisse Flexibilität hat, so daß der sich mit Bezug auf die Spitze 12 bewegen kann, wobei der gewählte Grad der Flexibilität von der Anwendung abhängt, in welcher die Spitzenstruktur plaziert werden soll. Wenn die Einrichtung z. B. für Beschleunigung oder Vibration empfindlich sein soll, dann würde der Träger 24 einen hohen Grad an Flexibilität haben, um eine Relativbewegung des Trägers mit Bezug auf den Fixpunkt, welcher durch die stationäre Spitze vorgesehen ist, in Ansprechung auf solche mechanischen Kräfte zu gestatten.
Ein größerer Grad an Steifigkeit würde für den Träger 24 vorgesehen sein, um eine Relativbewegung zwischen den Spitzen 12 und 22 in jenen Fällen zu verhindern, in denen die Spitze z. B. für chemische Spektroskopie verwendet werden soll. In dem letzteren Fall bildet die Absorption eines Materials in die Spitzen 12 und 22 oder die Beschichtung der Spitzen durch das Material in der Umgebungsatmosphäre, welche die Spitzen umgibt, ein Maß für jenes Material, und der Stromfluß oder Änderungen in dem Strom zwischen den beiden Spitzen ist bzw. sind ein Maß für die Mengen, wie die chemische Zusammensetzung des absorbierten oder durch Beschichtung aufgebrachten Materials. Unter diesem Umstand ist es erwünscht, daß der Stromfluß zwischen den Spitzen nicht durch Relativbewegung derselben beeinflußt wird, sondern stattdessen nur durch die Änderung der chemischen Zusammensetzung der Spitzenoberflächen.
Da der Träger 24 aus einem leitfähigen oder halbleitenden Material ausgebildet ist, kann er elektrisch von dem Substrat 18 isoliert sein, wie mittels eines isolierenden Abschnitts 30, der in dem Träger ausgebildet ist. Ein geeigneter Verbinder 32, wie ein Aluminiumleiter, kann dann zwischen dem leitfähigen Teil des Trägers und einer Verbinderanschlußstelle 34 vorgesehen sein, die auf einer isolierenden Schicht 35 lokalisiert ist, welche auf der Oberfläche des Substrats 18 ausgebildet ist, wie schematisch in Fig. 1 veranschaulicht ist. Dieses gestattet eine elektrische Verbindung zwischen der Spitze 22 und der elektrischen Schaltung, die schematisch bei 36 veranschaulicht ist, welche irgendwo auf dem Substrat 18 ausgebildet sein kann. Eine solche Schaltung, welche z. B. so einfach wie ein Stromdetektor sein kann, kann routinemäßig auf Siliciumwafern durch gut bekannte Techniken hergestellt werden. Eine solche Schaltung kann dazu benutzt werden, Änderungen in dem Stromfluß, der Kapazität, den Feldemissionen und dergleichen zwischen den Spitzen 12 und 22 zu messen, welche Änderungen eine Funktion des Materials sein können, das auf den Spitzen als Beschichtung aufgebracht oder durch die Spitzen absorbiert worden ist, oder eine Funktion des Abstands zwischen den Spitzen sein können. Wenn der Träger 24 genügend flexibel ist, bewirken Beschleunigungs- oder Vibrationskräfte, die auf den Träger unter einem Winkel zu seiner Achse 37 ausgeübt werden, daß sich die Spitze 22 leicht außer Fluchtung mit der Spitze 12 bewegt, oder daß sie sich vertikal nach der Spitze 12 zu oder von der Spitze 12 weg bewegt, so daß sich dadurch der Stromfluß dazwischen ändert, und eine solche Änderung kann in Relation zu dem Grad der Bewegung und demgemäß zu den auferlegten Beschleunigung- oder Vibrationskräften gesetzt werden.
Wie unten vollständiger erläutert werden wird, können zusätzlich dazu oder anstelle davon, daß einfach die Änderungen im Stromfluß zwischen den Spitzen der Einrichtung der Fig. 1 gemessen werden, Wandler zum Steuern bzw. Regeln der Bewegung des Trägers 24 und der Spitze 22 mit Bezug auf die Spitze 12 oder für das Abfühlen einer solchen Bewegung vorgesehen sein. Solche Wandler umfassen vorzugsweise kapazitive Platten, die auf dem bewegbaren Träger und auf der stationären Seite oder den Bodenwänden der Ausnehmung 16 oder auf einer oberen Wand, wenn eine solche über dem Träger zum Einschließen der Ausnehmung vorgesehen ist, zum Erzeugen einer Relativbewegung zwischen den Spitzen angebracht sind. Elektrostatische Kräfte werden auf die Kondensatorplatten angewandt, wie durch Anwenden einer Hochfrequenzwechselspannung zwischen gegenüberliegenden Platten, um eine entsprechende Relativbewegung zwischen der bewegbaren Spitze 22 und der stationären Spitze 12 zu erzeugen. Die Spannung zwischen solchen kapazitiven Platten spricht auch auf irgendeine Bewegung des Trägers 24 in Ansprechung auf äußere Kräfte an, welche eine Änderung in dem Abstand zwischen den Platten oder in der Fluchtung der Platten erzeugen, da eine solche Änderung im Abstand die elektrostatische Ladung zwischen den kapazitiven Platten verändert. Diese Änderung in der elektrostatischen Ladung kann ein direktes Maß einer solchen Bewegung liefern. In der Praxis kann der Träger mit einer hohen Frequenz vibriert werden, wobei irgendwelche kleinen Änderungen in der Bewegung des Trägers durch Messen der Änderungen in der Ladung zwischen den Platten detektierbar sind.
Als eine Alternative zu den kapazitiven Platten kann der Träger bewegt werden, oder seine Bewegung kann detektiert werden, und zwar mittels eines magnetischen Films, der als eine Beschichtung 38 auf einer oder mehreren Oberflächen des Trägers 24 ausgebildet ist und auf Magnetfelder anspricht, die durch nahe Induktoren erzeugt werden. Der Träger kann auch durch einen piezoelektrischen Film bei 38 auf einer oder mehreren Oberflächen des Trägers bewegt oder seine Bewegung kann dadurch detektiert werden. Geeignete Elektroden (nicht gezeigt), die mit dem piezoelelktrischen Film verbunden sind, liefern die erforderliche Erregung.
Obwohl die Spitzen 12 und 22 hier so gezeigt und beschrieben sind, als seien sie vertikal abgefluchtet, versteht es sich, daß sie auch horizontal abgefluchtet oder in irgendeiner anderen abgefluchteten Ausrichtung sein können. Wenn Relativbewegung abgefühlt werden soll, dann wird es bevorzugt, daß eine der Spitzen auf einem bewegbaren Halter, wie dem Träger 24, angebracht ist, während die andere auf einem stationären Halter, wie der Basis 20, angebracht ist, obwohl beide auf bewegbaren Haltern angebracht sein können. Weiterhin versteht es sich, obwohl in Fig. 1 konische Spitzen veranschaulicht sind, daß langgestreckte, keilförmige Spitzen mit gegenüberliegenden Kanten einander gegenüberliegend und miteinander abgefluchtet vorgesehen sein können, wie unten vollständiger erläutert werden wird.
Wie es in der Rastertunnelungs- bzw. -tunnelmikroskopie (STM) bekannt ist, verjüngen sich die konische Spitze 22 und gemäß der vorliegenden Erfindung die konische Spitze 12 beide zu extrem feinen Dimensionen im Nanometermaßstab, wobei idealerweise jede Spitze in einem einzigen Atom endet. In bekannten STM-Einrichtungen würde das Ende der Spitze 22 innerhalb weniger Ångstroms oder weniger von einer zu detektierenden Oberfläche positioniert werden. Jedoch wird in der vorliegenden Erfindung das auslaufende Ende der Spitze 22 innerhalb weniger Ångstroms von dem gegenüberliegenden auslaufenden Ende der selbstabgefluchteten Spitze 12 positioniert. Die enge Nähe der auslaufenden Enden dieser Spitzen ermöglicht es Elektronen, zwischen ihnen bei der Anwendung einer leichten Vorspannung zu tunneln. Obwohl der Tunnelstrom sehr klein ist, typischerweise in der Größenordnung von Picoamper, ist er meßbar, da sich der Wert dieses Tunnelstroms exponentiell ändert, wenn der Spitze-zu-Spitze-Abstand um einen kleinen Betrag variiert; z. B. ändert eine Änderung von einem Ångstrom in dem Spalt zwischen den Spitzen den Tunnelstrom um eine Größenordnung.
Die konusförmigen Spitzen 12 und 22 sind in ihren nominellen oder Ruhepositionen axial abgefluchtet; in der Ausführungsform der Fig. 1 ist die Spitze 12 stationär und erstreckt sich von der Oberfläche 14 nach aufwärts, um als ein Fixpunkt zu dienen, und die Spitze 22 ist auf dem relativ bewegbaren Träger 24 angebracht. Der Träger hat eine Längsachse 37, und seine freitragende Anbringung ermöglicht eine Bewegung in jeder Richtung senkrecht zu jener Achse. Jede solche Bewegung ändert den nominellen Abstand zwischen den gegenüberliegenden Abschlußenden der Spitzen 12 und 22 und ändert demgemäß die Länge des Tunnelwegs und variiert den Tunnelstrom, wie oben erörtert. Die Messung dieses Stroms liefert ein Maß für die mechanische Bewegung des Trägers 24. Wegen den konischen Formen der Spitzen und der Tatsache, daß die Spitze 12 aufrecht von der Oberfläche 14 steht, erzeugt selbst eine Lateralbewegung des Trägem in Richtungen, die parallel zu der Oberfläche 14 sind, eine meßbare Änderung in dem Tunnelstrom, so daß dadurch eine Messung der Horizontalbewegung ermöglicht wird.
Das Vorsehen einer Fixpunktspitze, die sich über die umgebende Oberfläche erstreckt, erleichtert die Lokalisierung der oberen bewegbaren Spitze, weil die beiden Spitzen effektiv wie die gegenüberliegenden Platten eines Kondensators wirken. Durch Messen der Änderungen in der Kapazität können die obere und untere Spitze präzise abgefluchtet werden, und dann kann die bewegbare Spitze nahe an die stationäre Spitze bewegt werden, um die bewegbare Spitze genau über der Oberfläche an dem gewünschten Ort zu positionieren. Dann kann die Spitze in dem Bereich des Fixpunkts von Seite zu Seite bewegt werden, um ein sehr genaues Maß der umgebenden Oberfläche zu erhalten.
Anstatt die Spitzen als einen Kondensator zu betreiben, ist es auch möglich, sie in einem Feldemissionsmodus zu betreiben, um einen präzisen Ort der einen mit Bezug auf die andere vorzusehen. In diesem Falle wird ein Potential zwischen den Spitzen angelegt, und das resultierende Feld kann präzise gemessen werden, um eine Abfluchtung und Positionierung der bewegbaren Spitze mit Bezug auf den Fixpunkt zu ermöglichen. Wenn die Spitzen sehr nahe aneinander sind, kann die Tunnelung von Elektronen zwischen den gegenüberliegenden Spitzen für die gleichen Zwecke benutzt werden.
In der Abwesenheit der Spitze 12 ist jedoch die Messung der Bewegung parallel zu der Oberfläche 14 von Änderungen in der Topographie der Oberfläche abhängig, und dieses ist schwerer zu detektieren und mag nicht meßbar sein, wenn der Abstand zwischen der Spitze 22 und der Oberfläche konstant bleibt. Demgemäß liefert die abgefluchtete Dualspitzenstruktur der vorliegenden Erfindung einen signifikanten Fortschritt gegenüber den früheren Einzelspitzenstrukturen.
Fig. 1A ist eine Abwandlung der Ausführungsform der Fig. 1, worin gleichartige Teile gleichartig numeriert sind. In dieser Darstellung ist jedoch der freitragende Träger 24 nicht auf der Wand 26 der Ausnehmung 16 angebracht, sondern er wird stattdessen in Freiträgerart auf einem Sockel 30' gehalten, welcher einheitlich auf der Bodenoberfläche 14 der Ausnehmung ausgebildet ist. Das fixierte Ende des Freiträgers 24 ist stationär, wobei sich der Träger von dem Sockel in einer Richtung nach auswärts erstreckt, die generell parallel zu dem Boden 14 der Ausnehmung 16 ist. Der Sockel wird vorzugsweise im Verlauf des Ausbildens des Trägers hergestellt und ist demgemäß einheitlich mit der Wafer 18. Obwohl der Sockel Silicium sein kann, wenn das gewünscht wird, wird es bevorzugt, daß er aus einem elektrisch isolierenden Material, wie Siliciumdioxid, sein möge, das gleichzeitig in der Herstellungsfolge ausgebildet wird, wie es die Isolation 30 in der Einrichtung der Fig. 1 ist. Die Sockelstruktur sieht eine große Freiheit im Lokalisieren des Arms 24 innerhalb der Ausnehmung 16 vor und kann demgemäß in einigen Ausführungsformen der Erfindung bevorzugt sein.
Der Träger 24 detektiert die Bewegung in der horizontalen, vertikalen und zwischenliegenden Richtung senkrecht zu dessen Achse. Durch Vorsehen eines zweiten freitragenden Trägers (nicht gezeigt), gleichartig bzw. ähnlich wie der Träger 24, wobei er jedoch seine Achse senkrecht zur Achse des Trägers 24 hat, kann die Bewegung in drei Dimensionen detektiert werden; jedoch würde dieses zwei Paare von gegenüberliegenden, selbstabgefluchteten Spitzen, eine auf jedem Träger, erfordern. Ein alternatives Verfahren des Detektierens einer dreidimensionalen Bewegung unter Verwendung von gerade einem abgefluchteten Paar von Spitzen ist in Fig. 3 veranschaulicht und beinhaltet das Vorsehen von einander schneidenden, federmontierten Trägern. Die Federanbringungen für die einander schneidenden Träger, welche vorzugsweise senkrecht zueinander sind, gestatten effektiv eine Bewegung von einer Spitze nicht nur lateral mit Bezug auf einen ihrer Anbringungsträger, sondern auch axial längs jenes Trägers, und durch Verwenden von gekreuzten Trägern, welche beide zu einer dreidimensionalen Bewegung angebracht sind, ist die Spitze nicht nur fähig, Bewegung in jeder Richtung zu detektieren, sondern sie kann so gesteuert bzw. geregelt werden, daß eine Spitze mit Bezug auf die andere präzise für Messungen eines weiten Bereichs von Parametern positioniert wird. Die Anbringung für eine dreidimensionale Bewegung ist von besonderem Wert beim Detektieren und Messen von Vibrationen und von anderen mechanischen Bewegungen, weil die extreme Empfindlichkeit der Tunnelströme auf Änderungen im Abstand zwischen den Spitzen in der Struktur der vorliegenden Erfindung ein hochpräzises Instrument für solche Messungen zur Verfügung stellt.
Zusätzlich liefern die Daten, die durch Änderungen in dem Tunnelstromfluß zwischen gegenüberliegenden Spitzen vorgesehen werden, Information über die aufgefüllten und ungefüllten Elektronenenergiezustände der gegenüberliegenden Spitzen. Diese Daten enthüllen Information über die chemische Zusammensetzung dieser Spitzen und über die molekulare Bindung wie auch über elektronische und magnetische Zustände innerhalb der Spitzen, ihre kristalline Struktur und andere Charakteristika bzw. Eigenschaften, so daß die gegenüberliegenden Spitzen der vorliegenden. Erfindung als ein Werkzeug für die Spektroskopie verwendet werden können. Solche Messungen werden durch präzises Verändern der Vorspannung oder des Spitze-zu-Spitze- Abstands bewerkstelligt, um zwei verwandte Arten von spektroskopischen Messungen vorzusehen: 1) Strom gegen Spannung und 2) Strom gegen Abstand. Die Strom-gegen-Spannung- Spektroskopie wird dadurch ausgeführt, daß man den Spalt zwischen den Spitzen konstant hält und den Tunnelstrom mißt, während man die Vorspannung in diskreten Schritten verändert. Die Strom gegen-Abstand-Spektroskopie wird dadurch ausgeführt, daß man die Vorspannung konstant hält und den Tunnelstrom mißt, während man den Spalt zwischen den Spitzen in diskreten Schritten ändert. Aus dieser Information können Daten über die chemische Zusammensetzung der Oberfläche der Spitzen, die Zusammensetzung des durch die Spitzen absorbierten Materials, die kristalline Struktur, die Bindung des Oberflächenmaterials und dergleichen erhalten werden.
Ein bevorzugtes Verfahren des Ausbildens der gegenüberliegenden, integralen, selbstabgefluchteten Spitzen 12 und 22 der Fig. 1 und 1A ist in der Fig. 2 in der Aufeinanderfolge der Schritte veranschaulicht, die unter der Überschrift "Querschnitt 1-1'" gezeigt sind. Diese Aufeinanderfolge bezieht sich auf eine Schnittansicht der Struktur der Fig. 1, ausgeführt längs der Linie 1-1' des Trägers 24. Das in Fig. 2 veranschaulichte Verfahren ist der "isolierte Inseln von Einkristallsilicium durch laterale Oxidation" (ISLO)-Technik verwandt, welche in dem oben identifizierten Artikel im Journal of Vacuum Science Technology beschrieben ist. Das Verfahren der Herstellung von Silicium-auf-Isolator-Strukturen wird in dieser Technik benutzt, weil eine isolierte Insel aus einem Einkristallsubstratsilicium hoher Qualität durch die Verwendung eines thermisch gewachsenen Siliciumoxidisolators hoher Qualität ausgebildet werden kann. Im allgemeinen verwendet das Verfahren eine Obere Oberfläche- und Seitenwand-Oberfläche- Siliciumnitridmaske, um den oberen Teil einer Insel vor Oxidation zu schützen, während der Boden der Insel in einer solchen Art und Weise oxidiert wird, daß das Substratsilicium, welches die Insel bildet, durch die Oxidation hinterschnitten wird. Diese Oxidation isoliert elektrisch die Oberseite der Insel von dem Substrat, so daß ein isolierter Träger ausgebildet wird, der im Abstand über dem Substrat angeordnet und durch Oxid gehalten wird. Der ISLO-Prozeß erzeugt eine Struktur, in welcher selbstabgefluchtete, zugespitzte Spitzen zwischen dem resultierenden oberen Siliciuminselteil oder dem Träger und dem unteren Siliciumsubstrat ausgebildet werden, wenn die hinterschneidenden Oxidationsfronten zusammenkommen, so daß sie die Insel von ihrer Siliciumverbindung mit dem Substrat isolieren. Das freie Ende 39 des Trägers (Fig. 1) ist so geformt, daß es ein vergrößertes bzw. verbreitertes Profil hat (gesehen von der Oberseite her), welches irgendeine gewünschte Form haben kann. Weil sich das hinterschneidende Oxid mit der gleichen Rate an allen Orten entlang der Länge des Trägers 24 bewegt, hinterschneidet das Oxid den Träger vollständig, so daß der Träger mechanisch von dem Substrat freigesetzt wird, während die Bildung von gegenüberliegenden Spitzen in der Mitte des vergrößerten bzw. verbreiterten Teils ermöglicht wird.
Wie in Fig. 2 veranschaulicht ist, ist das Ausgangssubstrat vorzugsweise eine mit Arsen dotierte Siliciumwafer 18 vom n&spplus;&spplus;-Typ mit weniger als oder gleich 0,005 Ohm-Zentimeter (100), auf welcher eine geeignete dielektrische Schicht 40 aufgebracht ist, die Siliciumnitrid umfaßt bzw. enthält. Z. B. kann die Schicht 40 eine Oxid-1/-Nitrid-1/Oxid-2(30/100/300 nm) dielektrische Übereinanderschichtung, die die Oberseite der Insel bedeckt, sein, welche während der Oxidation auszubilden ist. Die relative Dicke der Schichten kann variieren; jedoch ist es wichtig, daß die Schicht 40 Nitrid als eine Oxidationsmaske enthält bzw. umfaßt. Die dielektrische Übereinanderschichtung wird dann im Schritt 1 durch die Maske #1 mit einem Muster versehen, wobei z. B. eine Dreiniveauresist-, Direktschreib-Elektronenstrahllithographie und eine Aluminiumabhebung benutzt wird, um die Maske 42 in der gewünschten Form (Aufsicht von oben) des Trägers 24 auszubilden. Danach wird die dielektrische Schicht 40 um die Maske 42 durch reaktive Ionenätzung (RIE) in einer CHF&sub3;-Chemie ohne Erosion der Aluminiummaske 42 geätzt, und diese Maske wird dann weiter dazu benutzt, um das Muster in das Silicium 18 während eines nachfolgenden Einschnittätzens (Schritt 2) zu übertragen. Eine Cl&sub2;/BCl&sub3;-Chemie verbraucht die Aluminiumschicht 42, läßt jedoch die Oxidationsmaske der oberen Oberfläche, die in der Schicht 40 ausgebildet ist, virtuell intakt, wie im Schritt 2 des Querschnitts 1-1' in Fig. 2 veranschaulicht ist. Das Einschnittätzen erzeugt einen Hohlraum in dem Substrat, welcher eine aufrechte Insel oder Tafel bzw. Mesa aus Silicium umgibt und eine Seitenwand 44 hat, die z. B. 500 nm oder tiefer sein kann. Die übrige Insel, die generell mit 45 bezeichnet ist, hat eine Form, die durch die Maske 42 und die entsprechende Oxidationsmaske, welche durch die obere Oberflächenschicht 40 gebildet worden ist, definiert ist.
Die Siliciumwafer 18 wird dann vollständig mit einer zweiten dielektrischen Schicht beschichtet, welche Siliciumnitrid umfaßt bzw. enthält, und diese Schicht wird dann anisotrop geätzt, um die Bodenwand 46 der Einschnitte und die obere Oberfläche 47 der Schicht 40 freizumachen, wie in dem Schritt 3 des Querschnitts 1-1' gezeigt ist. Die zweite dielektrische Schicht (Nitridschicht) bleibt auf der Seitenwand 44 der Insel, wie durch die Nitridschicht 48 veranschaulicht ist. Die dicke Oxidschicht 40 auf der Oberseite der Insel stellt sicher, daß der Teil der zweiten dielektrischen Schicht, welcher auf den horizontalen Oberflächen, wie auf den Oberflächen 46 und 47, abgelagert worden ist, überätzt werden kann, um das Siliciumsubstrat 18 in dem Einschnitt um die Insel 45 herum freizulegen, ohne die Nitridmaskierungsschicht 40 zu erodieren, wie in dem Schritt 3 der Fig. 2 veranschaulicht ist.
Wie im Schritt 4 des Querschnitts 1-1' veranschaulicht ist, wird als nächstes eine isotrope Vertiefungsätzung ausgeführt, um die Oberfläche 46 der Siliciumschicht 18 zu ätzen, so daß dadurch eine Ausnehmung 50 in den Seiten der Insel 45 unterhalb des Nitrids 48 auf den Seitenwänden der Insel erzeugt wird. Der Zweck dieser Ausnehmung ist es, eine seitliche Oxidation der Insel 45 unterhalb des durch die Nitridschicht 48 geschützten Bereichs während des zu beschreibenden Oxidationsschritts zu fördern. Wie veranschaulicht, vermindert dieser Ätzschritt die Breite W der Insel in dem Bereich der Ausnehmung 50.
Es sollte an dieser Stelle bemerkt werden, daß die Insel 45 jede gewünschte Form in ihrer Aufsicht von oben haben kann und demgemäß rechteckig, rund, quadratisch oder in irgendeiner bzw. jeder gewünschten Art und Weise konfiguriert sein kann, was von der gewünschten Form und den Dimensionen abhängt, die für den Halteträger 24 und die Spitzen 12 und 22 erforderlich sind. Wenn konische Spitzen gewünscht werden, wird die Insel vorzugsweise in der Aufsicht von oben in dem Bereich rund sein, wo die Spitzen ausgebildet werden sollen, wie bei 39 in Fig. 1 veranschaulicht ist, während die Insel dann, wenn keilförmige Spitzen gewünscht sind, in der Aufsicht von oben ein langgestrecktes Rechteck sein würde. In jedem Falle wird die Seitenwand 44 der Insel durch die Seitenschicht 48 geschützt, und die Ausnehmung 50 wird unterhalb der Schicht 48 so ausgebildet, daß sie sich vollständig um die Insel erstreckt, wobei die Ausnehmung z. B. im Falle einer kreisförmigen Insel kreisförmig ist und im Falle einer rechteckigen Insel linear ist und sich längs jedes Randes der Insel erstreckt.
Der Schritt 5 des in Fig. 2 veranschaulichten Verfahrens ist ein selektives Stripping bzw. Abstreifen der dielektrischen Schicht 40 von der Insel 45, um eine selektive Oxidation von Teilen der Insel für den Zweck des Vorsehens einer elektrischen Isolation des Rests der Insel zu gestatten. Dieses ist in dem Querschnitt 1-1' nicht veranschaulicht, da jener der Ort der Spitzen 12 und 22 ist, eine derartige Oxidation jedoch an anderen Teilen der Trägerstruktur 24 vorgesehen sein kann, wie in näheren Einzelheiten unten angegeben werden wird. Ein solches selektives Stripping bzw. Abstreifen von Teilen der dielektrischen Schicht im Schritt 5 wird mittels der Maske Nummer 2 ausgeführt, die in diesem Verfahren verwendet wird.
Danach wird die Oxidation des freigelegten Siliciummaterials 18 ausgeführt, um eine Siliciumdioxidschicht 54 auszubilden, wie im Schritt 6 veranschaulicht ist. Die Oxidation erstreckt sich seitlich in die Ausnehmung 50, so daß sie dadurch unter den Teil der Insel 45 reicht, welcher durch die Schicht 48 geschützt ist. Wenn der Oxidationsprozeß fortschreitet, bildet er die Schicht 54 auf der Oberfläche 46 und in der Ausnehmung 50. Das Oxid drückt den unteren Rand der Schicht 48 auswärts, wie bei 56 im Schritt 6 der Fig. 2 veranschaulicht ist, wenn der Oxidationsprozeß fortschreitet. Zu irgendeiner bzw. jeder gegebenen Zeit schreitet die Oxidation mit im wesentlichen konstanter Geschwindigkeit an allen Stellen in dem Siliciummaterial fort, aber die Geschwindigkeit fällt parabolisch zu der Zeit ab, wenn der Prozeß fortschreitet. Je tiefer die Ausnehmung 50 ist, umso schneller wird der obere Teil der Insel 45 durch den Oxidationsprozeß hinterschnitten und von dem Substrat 18 isoliert.
Das isotrope Ätzen der Ausnehmung 50 im Schritt 4 erzeugt ein gerundetes Profil für die Ausnehmung, wie in den Schritten 4 und 5 veranschaulicht ist, und dieses Profil wird bevorzugt, da es schärfere Spitzen bei der Vollendung des Oxidationsschritts ergibt. Jedoch kann das Profil der geätzten Ausnehmung, wenn das gewünscht wird, verändert werden, um die Krümmung der Spitzenoberflächen und die Schärfe der gegenüberliegenden Spitzen zu steuern. Alternativ können die unterschiedlichen Oxidationsraten, welche in unterschiedlichen Ebenen der Kristallstruktur des Siliciums auftreten, dazu benutzt werden, die Krümmung und Schärfe der durch diesen Prozeß erzeugten Spitzen zuzuschneiden.
Die Breite W der Insel (oder ihr Durchmesser im Falle einer runden Insel) in dem Bereich der Ausnehmung 50, die in den Schritten 4 und 5 des Querschnitts 1-1' veranschaulicht ist, dominiert den Hinterschneidungsprozeß, da sich während der Oxidation die seitlich wachsenden Oxidationsfronten einander mit der gleichen Rate zu einer gegebenen Zeit annähern, ob nun die Insel breit oder schmal ist. Demgemäß ist es die Form der Insel zusammen mit der Länge der Zeit, in welcher die Insel dem Oxidationsschritt ausgesetzt wird, die bestimmt, welche Teile der Insel hinterschnitten werden, ob die Insel vollständig an jedem Ort hinterschnitten wird, und wenn sie vollständig hinterschnitten wird, wie die Dimension des Spalts zwischen dem übrigen bzw. verbleibenden oberen Teil der Insel und dem Substrat ist. Wenn eine Mehrzahl von Trägern und Spitzen gleichzeitig hergestellt wird, werden die Teile der zu hinterschneidenden Träger und die Spalte für jedes Paar von Spitzen während des ersten Maskierungsschritts durch die Auswahl der Größe (Weite oder Durchmesser) des Inselteils bestimmt, welcher jedem Paar von Spitzen entspricht, weil dieses den Grad der Hinterschneidung für eine gegebene Zeitdauer des isotropen Ätzens und für eine gegebene Zeitdauer der Oxidation steuert. Das Verfahren kann demgemäß Inseln oder Teile von Inseln erzeugen, welche total hinterschnitten sind, welche teilweise hinterschnitten sind, welche Spitzen bilden, die eng oder weit beabstandet sind, oder in extremen Fällen Inseln, welche nahezu durch die Oxidation aufgebraucht werden, und zwar alles während der gleichen Zeitdauer, und auf diese Weise kann die Isolation der haltenden Träger und der Spalte, die durch den Oxidationsprozeß auf unterschiedlichen Trägern und Spitzen ausgebildet werden, durch Steuern der Größen und Formen der entsprechenden Inseln gesteuert werden.
Bei der Vollendung der Oxidation werden wieder ausgewählte Teile der dielektrischen Schicht 40 im Schritt 7 mittels der Maske Nummer 3 zu dem Zweck des Vorsehens von elektrischen Kontakten auf Teilen der Struktur gestrippt bzw. abgestreift. In dem Querschnitt 1-1' bleibt die dielektrische Schicht 40 intakt, aber in anderen Schnitten der Struktur, wie längs des Trägers 24, kann das dielektrische Material entfernt werden, um die Bildung eines elektrischen Kontakts zu ermöglichen. Solche Kontakte werden im Schritt 8 durch die Ablagerung einer leitfähigen Materialschicht an den durch Musterung erhaltenen Orten, an denen vorher zu diesem Zweck das dielektrische Material gestrippt bzw. abgestreift worden ist, ausgebildet. Wieder ist dieses nicht in dem Querschnitt 1-1' in Fig. 2 veranschaulicht, da an jenem Ort kein elektrischer Kontakt hergestellt werden soll.
Der Endschritt (Schritt 9 in Fig. 2) ist das Freisetzen von ausgewählten Strukturen, die durch den Oxidationsprozeß ausgebildet worden sind. Dieses wird durch Wegstrippen bzw. -streifen der Oxidschicht 54 an ausgewählten Orten, wie durch die Maske #5 bestimmt, bewerkstelligt. Das Oxid kann in einigen Bereichen, wie in dem Bereich des Sockels 30' in der Einrichtung der Fig. 1A, zurückbehalten werden, um als ein Halter für Teile der Struktur zu dienen, aber wo immer eine Relativbewegung erwünscht ist, wie an den Spitzen 12 und 22, die im Schritt 9 veranschaulicht sind, und in den benachbarten Bereichen des Halteträgers, wird das Oxid entfernt. Diese Entfernung des Oxids läßt einen Spalt zwischen der isolierten Inselstruktur und dem darunterliegenden Substrat, um den Halteträger 24 freizusetzen, und im besonderen läßt sie einen Spalt 58 zwischen den Abschlußenden der axial abgefluchteten Spitzen. Die Länge des Spalts längs der Spitzenachse hängt von dem Prozeßparametern ab, aber sie ist in jedem Falle vorzugsweise genügend klein, um Tunnelströme, Feldemissionen und/oder kapazitive Ströme zwischen den gegenüberliegenden Spitzen zu gestatten. Durch sorgfältige Steuerung der Ätz- und Oxidationsschritte, wie oben beschrieben, werden die Spitzen mit scharfen Abschlußenden versehen, die einander über den Spalt 58 gegenüberliegen. Der obere Teil der Insel 45 wird längs eines ausgewählten Teils ihrer Länge freigesetzt, so daß die Insel 45 einen bewegbaren freitragenden Träger 24 über dem Boden 14 bildet. Wenn es gewünscht wird, können die Spitzen beschichtet werden, z. B. durch selektive Metallisierung mittels chemischer Dampfablagerung nach dem Entfernen der Oxidschicht 54.
Der Träger 24 wird durch das gleiche Verfahren erzeugt, wie es oben für die Spitzen 12 und 22 beschrieben ist, und dieses Verfahren ist in Fig. 2 für den Querschnitt 2-2' der Fig. 1 veranschaulicht. Demgemäß wird im Schritt 1 für den Schnitt 2-2' die Siliciumwafer 18 mit dielektrischen Schichten beschichtet, welche dann durch die Maske Nr. 1 mit einem Muster versehen werden, um die Maske 42 zu erzeugen, wie mit Bezug auf den Querschnitt 1-1' beschrieben worden ist. Das Muster der Maske 42 wird dann mittels eines RIE-Schritts durch die dielektrische Schicht 40 und in das Siliciumsubstrat 18 übertragen, um die Insel 45 auszubilden (Schritt 2). Die Wafer wird mit einem zweiten dielektrischen Material beschichtet, das dann anisotrop zurückgeätzt wird, wobei nur die Seitenwandschichten 48 intakt bleiben, wie in Fig. 2 im Schritt 3 für den Querschnitt 2-2' des Trägers 24 veranschaulicht ist.
Wie im Schritt 4 veranschaulicht ist, wird als nächstes eine isotrope Vertiefungsätzung ausgeführt, um die Ausnehmung 50 zu erzeugen, und danach wird im Schritt 6 eine selektive seitliche Oxidation von Silicium dazu benutzt, um die Insel 45 vollständig von dem Substrat zu isolieren. Da keine Spitzen an dieser Stelle ausgebildet werden sollen, ist die Breite der Insel genügend schmal gemacht worden (mittels der Maske 42), um eine vollständige Oxidation quer über ihre Breite sicherzustellen und demgemäß eine vollständige Isolation und Abtrennung des oberen Teils der Insel 45 sicherzustellen. Im Schritt 7 können ausgewählte Teile der dielektrischen Schicht 40 abgestreift werden, und zwar für Zwecke des elektrischen Kontakts durch Verwendung der Maske Nr. 3, und danach kann im Schritt 8 eine leitfähige Materialschicht abgelagert und mit einem Muster versehen werden, um elektrische Kontakte unter Verwendung der Maske Nr. 4 auszubilden. Diese speziellen Schritte werden im Querschnitt 2-2' nicht ausgeführt, aber sie können an anderen Orten längs des Trägers ausgeführt werden, wie nachstehend beschrieben wird. Danach kann, wie im Schritt Nr. 9 gezeigt ist, die Maske Nr. 5 dazu verwendet werden, ausgewählte Teile der Oxidschicht 54 durch isotropes Ätzen abzustreifen, so daß der Träger 24 mechanisch freigesetzt wird, wobei er für eine Bewegung mit Bezug auf den Boden 14 freigelassen wird.
Wie oben angegeben ist, ist der freitragende Träger 24 der Fig. 1, welcher durch den in Fig. 2 veranschaulichten Prozeß ausgebildet wird, in der Horizontalebene parallel zu dem Boden 14 bewegbar, und er ist vertikal mit Bezug auf den Boden bewegbar; d. h., er ist in Richtungen senkrecht zu der Achse 37 des freitragenden Trägers bewegbar. Jedoch ist der Träger 24 in der Struktur der Fig. 1 axial nichtbewegbar. Infolgedessen kann die Einrichtung Vibration und andere mechanische Bewegungen, welche Komponenten in Richtungen senkrecht zu der Achse haben, jedoch nicht längs der Achse 37, detektieren und messen. Um Bewegung längs jener Achse zu detektieren, kann ein zweiter, unabhängiger freitragender Träger aus dem Substrat 18 ausgebildet werden, wobei die Achse des zweiten Freiträgers senkrecht zu der Achse 37 ist und sich vorzugsweise auch parallel zum Boden 14 erstreckt. Die beiden freitragenden Träger haben vorzugsweise die gleiche Struktur, und beide weisen gegenüberliegende selbstabgefluchtete Spitzen auf, so daß sie zusammen die Detektion von Bewegung in ihrer gemeinsamen Ebene (der X-Y- Ebene) gestatten, und beide eine Messung der Bewegung in einer Richtung senkrecht zu der X- Y-Ebene (in der Z-Richtung) liefern. Da die Abschlußenden der Spitzen 12 und 22 extrem klein sind, sind die Freiträger fähig, extrem kleine Bewegungen zu detektieren und zu messen.
In einer anderen Form der Erfindung, die in den Fig. 3 und 4 veranschaulicht ist, kann die Bewegung einer einzigen Spitze 22 in drei Dimensionen mit Bezug auf eine entsprechende, selbstausgefluchtete, gegenüberliegende, stationäre Fixpunktspitze 12 oder mit Bezug auf eine Oberfläche, wenn das gewünscht wird, mittels einer planaren, X-förmigen Spitzenhaltestruktur 60 gemessen werden, die von einem Paar von sich schneidenden und miteinander verbundenen Trägern 62 und 64 gebildet ist, welche die Funktionen von zwei separaten, senkrechten freitragenden Trägern 24 erfüllen, wie oben erwähnt. Die Träger 62 und 64 sind vorzugsweise senkrecht zueinander und sind an ihrer Schnittstelle 66 zur Ausbildung einer X-förmigen Spitzenhaltestruktur miteinander verbunden. Die Spitze 22 wird an der Schnittstelle. 66 ausgebildet und erstreckt sich nach abwärts nach einer stationären Spitze 12 zu der Art und Weise, die in Fig. 1 für die Spitze veranschaulicht ist, welche von dem freitragenden Träger 24 getragen wird, und wie weiter im Schritt 9 des Querschnitts 1-1' (Fig. 2) veranschaulicht ist. Wie es der Fall bei dem Träger 24 war, werden die Träger 62 und 64 aus dem Siliciumsubstrat 18 in dem Verfahren ausgebildet, das für den Querschnitt 2-2' der Fig. 2 veranschaulicht ist, wobei das Substrat mit einem Muster versehen wird, um den X-förmigen Halter 60 an der Schnittstelle der Träger zu erzeugen. Die in Fig. 3 für die Träger 62 und 64 veranschaulichten Querschnitte 1-1' und 2-2' werden unter Benutzung des Verfahrens der Fig. 2, das für diese Querschnitte veranschaulicht ist, hergestellt.
Gemäß einer bevorzugten Form der Erfindung befindet sich der X-förmige Träger 60 in einer Ausnehmung 68, die in einem Substrat 70 ausgebildet ist, welches eine Siliciumwafer der mit Bezug auf Fig. 1 beschriebenen Art sein kann. Die Ausnehmung, die durch die Maskierungs- und Ätzschritte ausgebildet ist, welche mit Bezug auf Fig. 2 beschrieben worden sind, hat eine kontinuierliche vertikale Seitenwand 72, an welcher die Träger 62 und 64 vorzugsweise befestigt sind, und zwar generell in der Art und Weise des Freiträgers 24 in Fig. 1, obwohl es sich versteht, daß sie durch Sockel in der Art und Weise gehalten sein können, die in Fig. 1A veranschaulicht ist. In der dargestellten Ausführungsform erstreckt sich jedoch jeder der Träger vollständig quer über die Ausnehmung und ist mit entgegengesetzten Teilen der Seitenwand 72 an seinen entgegengesetzten Enden verbunden. Um es zu ermöglichen, daß die an der Schnittstelle 66 ausgebildete Spitze in der Ebene der Halteträger 62 und 64 bewegbar ist, hat jeder Träger flexible Segmente bzw. Abschnitte eingearbeitet, die eine Axialbewegung vorsehen. Demgemäß ist z. B. der Träger 62 an seinem linken Ende 74 (gemäß der Ansicht der Fig. 3) an der Wand 72 durch eine erste axiale Feder 76 angebracht, während der Träger 62 an seinem rechten Ende 78 an der Wand 72 durch eine zweite axiale Feder 80 befestigt ist. Diese Federn sind Segmente bzw. Abschnitte des Trägers, die durch den gleichen Prozeß wie der Rest des Trägers 62 hergestellt sind, wobei die spezielle Form und das Ausmaß bzw. die Erstreckung der Feder durch den ersten Maskierungsschritt des Prozesses (Fig. 2, Schritt 1) bestimmt sind. Demgemäß wird der Träger 62, der die Federteile 76 und 80 aufweist, unter Benutzung des im Querschnitt 2-2' in Fig. 2 veranschaulichten Verfahrens hergestellt und aus dem Material des Substrats 70 ausgebildet. Dieses Material, das vorzugsweise kristallines Silicium ist, ist genügend elastisch, um die Bildung von Federn zu gestatten, und durch sorgfältige Auswahl der Form und Dicke des Materials in den Federsegmenten bzw. -abschnitten können sie genügend steif gemacht werden, um den Träger 62 in seiner nominellen Position zu halten, während sie noch eine Axialbewegung des Trägers in Ansprechung auf darauf angewandte Axialkräfte ermöglichen.
Auf ähnliche Art und Weise ist der Träger 64 (wie in Fig. 3 gesehen) an seinen entgegengesetzten Enden 82 und 84 mit entgegengesetzten Teilen der Wand 72 durch entsprechende Federsegmente bzw. -abschnitte 86 und 88 verbunden, wodurch der Träger 64 zu einer Bewegung längs seiner Längsachse fähig ist. Wie dargestellt, ist die Längsachse des Trägers 64 senkrecht zu der Achse des Trägers 62, obwohl sie sich unter einem gewissen anderen Winkel, wenn das gewünscht wird, miteinander schneiden können. Es versteht sich, daß, da die Träger 62 und 64 an ihrer Schnittstelle 66 miteinander verbunden sind, eine Axialbewegung des Trägers 62 notwendigerweise eine Lateralbewegung im Träger 64 erzeugt, und umgekehrt. Die Flexibilität der Federsegmente bzw. -abschnitte stellt sicher, daß die Spitze 22 an der Schnittstelle 66 in jeder Richtung in der X-Y-Ebene, die durch die Träger 62 und 64 definiert ist, bewegbar ist. Außerdem ist die Spitze 22 in der Richtung senkrecht zu der X-Y-Ebene bewegbar, da sich beide Träger in jener Richtung bewegen können.
Die Ausnehmung 68 weist eine im wesentlichen planare Bodenoberfläche 90 auf, die unterhalb der Ebene der Träger 62, 64 und vorzugsweise parallel zu dieser Ebene ist, und dieser Boden trägt die Spitze 12, die selbstabgefluchtet mit der Spitze 22 ist, welche durch den Spitzenhalteteil der Träger an der Schnittstelle 66 in der mit Bezug auf Fig. 1 beschriebenen Art und Weise getragen ist. Der X-förmige Halter 60 bewegt die Spitze 22 mit Bezug auf diese untere Spitze 12. Das Verfahren, mittels dessen die Träger 62 und 64 (wie auch der Träger 24) an ihren Endteilen ausgebildet werden, ist in tabellarischer Form in Fig. 2 für die Querschnitte 3-3' und 4-4' veranschaulicht, ausgeführt am rechtem Endteil 78 des Trägers 62 gemäß der Ansicht der Fig. 3. Diese Veranschaulichung ist exemplarisch für das Anbringen der übrigen bzw. verbleibenden Enden der Träger 62 und 64. In dem. Bereich des Querschnitts 3-3' wird der Träger in der Art und Weise ausgebildet, wie sie mit Bezug auf den Querschnitt 2-2' durch die Schritte 1 bis 6 beschrieben worden ist, und demgemäß sind die Merkmale dieser Schritte in Fig. 2 gleichartig numeriert. Nachdem die Insel 45, aus welcher der Träger in dem Bereich des Querschnitts 3-3' ausgebildet ist, durch die im Schritt 6 veranschaulichte Oxidation vollständig von dem Substrat isoliert worden ist, wird die dielektrische Schicht 40 von der Oberseite der Insel in ausgewählten Bereichen (Schritt 7) abgestreift, um Teile der oberen Oberfläche 100 des Siliciumteils 102 der Insel 45 freizulegen. In diesem Falle ist der Teil 102 der Insel der Träger 62, und der Teil der Oberseite des Trägers, welcher für Zwecke des elektrischen Kontakts freizulegen ist, wird durch die Maske Nr. 3 definiert, wie oben beschrieben ist. Nachdem die Oberseite des Trägers freigelegt worden ist, wird eine leitfähige Materialschicht, wie Aluminium, abgelagert und gemustert (Schritt 8), um einen elektrischen Kontakt 104 auszubilden, der schematisch als ein rechteckiger Kontakt in Fig. 3 gezeigt ist. Der Kontakt wird durch die Maske Nr. 4 im Schritt 8 der Fig. 2 definiert, und kann sich, wie in Fig. 3 gezeigt ist, über einen Teil des Trägers 62 und auf die Oberfläche des Substratmaterials, das die Ausnehmung 68 umgibt, zum Verbinden des Trägers mit externen Schaltungen, wenn das gewünscht wird, erstrecken.
Wie vorher erörtert wurde, werden im Schritt 9 ausgewählte Teile der Oxidschicht 54, wie sie durch die Maske Nr. 5 definiert sind, isotrop weggeätzt, um ausgewählte Teile der Trägerstruktur freizusetzen, wie es im Querschnitt 2-2' in Fig. 1 veranschaulicht war. Die gleiche Freisetzungskonfiguration ist auch in Fig. 3 im Querschnitt 2-2' veranschaulicht, wo der Träger 62 von der Oxidschicht so freigesetzt wird, daß er sich zu einer freien Bewegung quer über den und parallel zu dem Boden 90 der Ausnehmung 68 erstreckt. Jedoch wird die Oxidschicht 54 in dem Bereich des Querschnitts 3-3' in den Fig. 2 und 3 im Schritt 9 durch die Maske Nr. 5 bedeckt, um einen Teil der Oxidschicht unterhalb des Trägers intakt zu lassen. Demgemäß bleibt ein Endteil des Trägers 62 durch die Schicht 54 benachbart der Wand 72 gehalten, wobei sich der Rest des Trägers von der Wand nach der Mitte der Ausnehmung 68 zu in einer Freiträgerart nach einwärts erstreckt. Der Teil der Oxidschicht 54, der zum Halten des Trägers bleibt, ist in der Aufsicht von oben in Fig. 3 veranschaulicht. Dieser Halter erstreckt sich von der Wand 72 nach einwärts zu einer Begrenzungswand 106, welche den Rand der Oxidschicht 54 begrenzt, nachdem der Rest der Trägerstruktur freigesetzt worden ist. Der Ort der Wand 106 und demgemäß das Ausmaß der Haltestruktur für den Träger wird durch die Maske Nr. 5 im Schritt 9 des Herstellungsverfahrens der vorliegenden Erfindung definiert.
Der Träger 62 wird von dem umgebenden Substratmaterial mittels eines oxidierten Abschnitts bzw. Segments 110 isoliert, welcher bzw. welches vorzugsweise an dem Ende des Trägers ist, wo er bzw. es auf die Umfangswand 72 trifft. Die Bildung dieses oxidierten Segments bzw. Abschnitts ist in den Schritten 1 bis 9 der Fig. 2 unter der Überschrift "Querschnitt 4-4'" veranschaulicht. Die Schritte 1 bis 4 sind die gleichen wie die bei der Bildung des Rests des Trägers 62 verwendeten Schritte, und demgemäß sind entsprechende Komponenten durch gleichartige Zahlen identifiziert. Nachdem die isotrope Vertiefungsätzung im Schritt 4 ausgeführt worden ist, um die Insel 102 durch einen zu einem Hals herabgesetzten Teil 102 getragen sein zu lassen, wird die Maske Nr. 2 im Schritt 5 dazu benutzt, um die dielektrische Schicht 40 und die Nitridschicht 48 von der Insel 45 abzustreifen, so daß der Inselteil 102 in dem Bereich des Segments bzw. Abschnitts 110 freiliegend gelassen wird. Wie in Fig. 2 veranschaulicht ist, wird das freigelegte Siliciummaterial des Inselteils 102 während der im Schritt 6 des Verfahrens ausgeführten Oxidation oxidiert, so daß der Schritt 6 nicht nur die Schicht 54 bildet, sondern auch den freigelegten Teil der Siliciuminsel vollständig durch dessen Querschnitt oxidiert.
Die obere Oberfläche des Segments bzw. Abschnitts 110 bleibt während der Bildung des elektrischen Kontakts 104 im Schritt 7 freigelegt, und demgemäß wird diese Oberfläche durch die leitfähige Materialschicht bedeckt, welche mittels der Maske Nr. 4 mit einem Muster versehen wird, um den elektrischen Kontakt im Schritt 8 auszubilden, wie oben mit Bezug auf den Querschnitt 3-3' erörtert worden ist. Wie in Fig. 3 veranschaulicht ist, überspannt der elektrische Kontakt 104 den Endteil des Trägers 62, wobei er sowohl das oxidierte Segment 110 als auch einen Endteil des nichtoxidierten Trägers 62 bedeckt. Wie oben mit Bezug auf den Schritt 9 erörtert worden ist, verhindert die Maske Nr. 5, daß die Oxidschicht 54 aus den Bereichen des Querschnitts 3-3' und 4-4' entfernt wird, um zusätzliche Unterstützung für den Träger 62 an dessen Verbindung mit der Wand 72 vorzusehen. Es versteht sich, daß jeder der Endteile der Träger 62 und 64 in einer gleichartigen bzw. ähnlichen Art und Weise aufgebaut ist, wie es jene ist, die mit Bezug auf den Endteil 78 veranschaulicht ist. Weiter versteht es sich, daß, wenn es gewünscht wird, andere Segmente bzw. Abschnitte der Träger 62 und 64 unter Verwendung der Oxidationstechnik der Schritte 5 und 6 elektrisch isoliert werden können.
Eine Axialbewegung von jedem der Träger 62 und 64 wird gemäß einer Form der vorliegenden Erfindung mittels Wandlern erzeugt und detektiert, welche vorzugsweise relativ bewegbare kapazitive Platten sind, die auf den Trägern ausgebildet sind. Jeder Wandler weist einen ersten kammförmigen Satz von Platten auf, der auf dem Material der stationären Basis (oder des Substrats), welches die Ausnehmung 68 umgibt, angebracht ist, und einen zweiten kammförmigen Satz von relativ bewegbaren komplementären Platten, die auf dem Träger 62 oder 64 angebracht sind. Demgemäß sind z. B. mit den Trägern 62 Wandler 120 und 121 auf entgegengesetz ten Seiten der Schnittstelle 66 vereinigt, während mit dem Träger 64 Wandler 122 und 124, auch auf entgegengesetzten Seiten der Schnittstelle 66, vereinigt sind, so daß die Bewegung und Position der Spitze 22 präzise gemessen und gesteuert bzw. geregelt werden kann. Der Wandler 120 ist exemplarisch für die vier Wandler und weist einen ersten und zweiten Satz 124 und 125 von stationären kapazitiven Platten auf, die sich auf entgegengesetzten Seiten des Trägers 62 befinden. Diese kapazitiven Platten sind in der gleichen Art und Weise wie die Träger 62 und 64 hergestellt, wie es mit Bezug auf Fig. 2 beschrieben worden ist, und jeder Satz weist vorzugsweise drei oder mehr beabstandete, parallele, sich nach einwärts erstreckende Kondensatorplatten oder "-finger" 126 auf, die fest an einer Basis 127 in einer Kammform angebracht sind. Die Sätze von Kondensatorplatten erstrecken sich horizontal einwärts in die Ausnehmung in Freiträgerweise, vorzugsweise parallel zum Boden 90 derselben, wobei jede der Platten 126 vertikal ist.
Vorzugsweise sind die Sätze 124 und 125 an Bereichen des umgebenden Substratmaterials 70 befestigt, welche oxidiert sind, um eine elektrische Isolation vorzusehen, wie bei 132 und, 134 gezeigt ist, damit die Platten von dem Substrat elektrisch isoliert sind. Die isolierten Bereiche 132 und 134 sehen Wege vor, auf denen elektrische Leitungen (nicht gezeigt) zum Verbinden einer Steuer- bzw. Regelschaltung mit den jeweiligen Sätzen 124 und 125 aus stationären Platten ausgebildet sein können. Z. B. können diese Platten mittels solcher elektrischer Leitungen mit geeigneten Spannungsquellen (nicht gezeigt) für das Anlegen von auserwählten Potentialen an die Kondensatorsätze zum Steuern bzw. Regeln der Axialbewegung des Trägers 62 verbunden werden, und sie können mit einer geeigneten Abfühlschaltung zum Detektieren von Änderungen in der elektrischen Ladung auf den Sätzen 124 und 125 aufgrund von extern auferlegter Bewegung des Trägers 62 verbunden sein.
Der Wandler 120 weist außerdem bewegbare Sätze 138 und 139 von kapazitiven Platten auf, oder "Finger" 140, die z. B. mittels eines Haltearms 142 an dem Träger 62 angebracht sind. Die Federn 76 und 80 im Träger 62 befähigen die Plattensätze 138 und 139 sowie den Träger 62, sich axial in den Richtungen des Pfeils 144 zu bewegen. Die Sätze 138 und 139 sind kammförmig und weisen sich nach auswärts erstreckende vertikale parallele Platten 140 auf, die mit den sich nach einwärts erstreckenden Platten 126 des Satzes 124 bzw. 125 ineinandergreifen bzw. doppelkammartig sind, wobei die ineinandergreifenden bzw. doppelkammartigen Platten leicht voneinander beabstandet sind, um eine Freiheit der Bewegung des Trägers 62 ohne Kontakt zwischen den gegenüberliegenden Platten zu ermöglichen. Das Anlegen einer Spannung an die Sätze 124 und 125 erzeugt ein Potential quer über den Zwischenraum zwischen den Platten der Sätze 124 und 138 bzw. der Sätze 125 und 139, so daß dadurch die bewegbaren Sätze 138 und 139 in die Sätze 124 und ·125 und nach den Sätzen 124 und 125 zu gezogen werden, wodurch der Träger 62, bezogen auf die Ansicht der Fig. 3, nach links bewegt wird.
In ähnlicher Art und Weise hat das Anlegen eines Spannungspotentials an die stationären Platten der Kondensatoren, welche den Wandler 121 an dem entgegengesetzten Ende des Trägers 62 bilden, die Tendenz, den Träger 62 längs seiner Längsachse, bezogen auf die Ansicht der Fig. 3, nach rechts zu zu bewegen, und durch Ausgleichen der an die beiden Wandler angelegten Spannungen kann der Träger 62 und demgemäß die von dem Träger an der Schnittstelle 66 getragene Spitze 22 präzise längs einer X-Achse lokalisiert werden, welche durch die Achse des Trägers 62 definiert ist.
Die Wandler 122 und 123, welche gleichartig bzw. ähnlich dem Wandler 120 sind, können in gleichartiger Weise erregt werden, um den Träger 64 längs seiner Längsachse in den Richtungen zu bewegen, die durch den Pfeil 146 angedeutet sind, so daß die Spitze 22 an der Schnittstelle 66 präzise längs einer Y-Achse lokalisiert werden kann, die durch den Träger 64 definiert ist. Eine angemessene Auswahl der an jeden der Wandler 120 bis 123 angelegten Spannungen gestattet eine präzise Lokalisierung der Spitze in jeder Richtung in der durch die Träger 62 und 64 definierten Horizontalebene.
Irgendein bzw. jeder elektrische Strom, der zwischen den Spitzen 22 und 12 fließt, fließt auch durch das Halbleitermaterial der Träger 62 und 64 zu den elektrischen Kontaktbereichen 104 auf den oberen Oberflächen der Träger, und dann durch geeignete Verbinder zu der Schaltung und Instrumentation derart, wie jene, die bei 36 in Fig. 1 veranschaulicht ist.
Die Einrichtung der Fig. 3 kann z. B. als ein Beschleunigungsdetektor verwendet werden, worin eine mechanisch auferlegte Bewegung des Substrats aufgrund von äußeren Kräften bewirkt, daß sich die Spitzenhaltestruktur 60 leicht mit Bezug auf das Substrat gemäß der Richtung der Beschleunigung des Substratmaterials bewegt. Diese Bewegung erzeugt eine Änderung in dem elektrischen Strom oder dem elektrischen Potential zwischen den Spitzen 12 und 22, welche durch die mit einem Kontakt 104 verbundene Abfühlschaltung detektiert werden kann. Die Sensoren können dann Spannungen an einem oder mehreren der Wandler 120 bis 123 erzeugen, die das Bestreben haben, die Spitzenhaltestruktur 60 in einer Richtung des Zurückführens der Spitzen 12 und 22 in die Fluchtung zu bewegen. Die Spannungen, die erforderlich sind, das zu tun, liefern ein Maß der auf das Substrat angewandten Kraft. Auf diese Weise können Vibrationen und andere mechanische Bewegungen in der X-Y-Ebene detektiert und gemessen werden.
Es wird bemerkt, daß in der Ausführungsform der Fig. 3 und 4, worin die Träger 63 und 64 im wesentlichen linear sind, der Abstand zwischen den ineinandergreifenden bzw. doppelkammartigen Platten der kapazitiven Wandler 120 bis 123 genügend sein muß, um eine gewisse Lateralbewegung des Trägers zu gestatten, an dem die bewegbaren Platten angebracht sind, ohne einen Kontakt zwischen den benachbarten Platten zu erzeugen. Dieses stellt sicher, daß eine angemessene Steuerung bzw. Regelung der Bewegung oder ein Abfühlen der Bewegung aufrechterhalten wird, während noch eine freie Bewegung der Spitze 22 mit Bezug auf die Spitze 12 in jeder Richtung in der Horizontalebene ermöglicht wird.
Obwohl das in Fig. 3 nicht veranschaulicht ist, ist es ersichtlich, daß dann, wenn (Z- Richtungs)-Bewegung der Träger 62 und 64 erforderlich ist, um den Spalt zwischen den Spitzen 12 und 22 einzustellen, oder wenn eine solche Bewegung detektiert werden soll, eines oder mehrere Paare von horizontalen kapazitiven Platten z. B. in der Form von Elektroden (wie die Elek trode 104) auf den Trägern 62 und 64 ausgebildet werden können. Entsprechende stationäre Elektroden können entweder auf dem Boden 90 oder auf einer sich oberhalb der Träger erstreckenden Struktur ausgebildet sein, wobei Spannungen zwischen den Elektroden angelegt werden, um eine Vertikalbewegung (senkrecht zu der Seite), bezogen auf die Ansicht in Fig. 3, vorzusehen. Eine solche vertikale Steuerung bzw. Regelung oder Z-Achsen-Steuerung bzw. -Regelung mag nicht nur wünschenswert sein, sondern, da die Träger 62 und 64 in vielen Fällen das Bestreben sich haben, beim Freisetzen von den Oxidschichten leicht nach aufwärts zu biegen, kann eine solche Z-Achsen-Steuerung bzw. -Regelung oft erforderlich sein, um den gewünschten Spalt zwischen den Enden der Spitzen 12 und 22 aufrechtzuerhalten.
Die Fig. 4 veranschaulicht die Spitzenhaltestruktur 60 der Fig. 3 in einer perspektivischen Ansicht, welche die Orte der Spitzen 12 und 22 und die Abstandsbeziehung zwischen den Trägern 62 und 64 und dem Boden 90 der Ausnehmung 68 deutlicher veranschaulicht. Wie dargestellt ist, kann das Verfahren des Ausbildens der Spitzen 12 und 22 auf dem Boden 90 restliche aufrechte Rippen 150 und 152 lassen, die parallel zu den Trägern 62 und 64 sowie im Abstand unterhalb der Träger angeordnet sind.
Die bewegbare Trägerstruktur der Fig. 3 findet Anwendung in einem weiten Bereich von Instrumenten, wie einem Stellantrieb und/oder einem Sensor, und hat trotzdem den Vorteil, in Einkristallsilicum auf einer Fläche von nur 40 um mal 40 um hergestellt zu werden. Die Einrichtung ist genügend stabil für die Verwendung als ein Abtasttunnelungs- bzw. -tunnelmikroskop; in einer Ausführungsform der Einrichtung wurde gefunden, daß die Träger eine Steifigkeit von 55 N/m in der X- und Y-Richtung von 30 NJm in der Z-Richtung vorsehen. Die Einrichtung liefert reproduzierbare STM-Bilder bis etwa 0,1 Ångstrom.
Wie oben bemerkt, führt die Bildung der in Fig. 2 veranschaulichten Struktur beim Querschnitt 1-1' zu einer generell konischen Spitze, wenn die Insel 45 in dem Bereich, wo die Spitze ausgebildet werden soll, rund oder quadratisch ist, so daß die Oxidation im wesentlichen equidistant von der Spitzenachse auftritt, wenn sie das Substratmaterial von allen Seiten her auf braucht. Sowohl der vergrößerte Endteil 39 des Trägers 24 als auch die gekreuzten Träger an der Schnittstelle 66 bilden solche konischen Spitzen aus. Da der Durchmesser des vergrößerten Endes oder der Schnittstelle größer als die Breite der Träger ist, hinterschneidet weithin die Oxidation den Träger vollständig vor dem Spitzenbereich, wobei sie die selbstabfluchtenden Spitzen läßt, die sich zwischen dem Träger und dem darunterliegenden Substrat erstrecken. Andere Formen von gegenüberliegenden, selbstabgefluchtet Strukturen können durch sorgfältige Auswahl der Dimensionen der Halterstruktur und Steuerung der Ätz- und Oxidierschritte des Prozesses erzeugt werden. Z. B. können gegenüberliegende, selbstabgefluchtete Spitzen in der Form von Keilen, wie jene, die bei 160 und 162 in Fig. 5 veranschaulicht sind, mittels des Erzeugens von rechteckigen Inselstrukturen durch die Verwendung von geeigneten Masken hergestellt werden. Wenn solche rechteckigen Strukturen oxidiert werden, werden sie mit der gleichen Rate in allen Richtungen aufgebraucht, jedoch führt die verlängerte Länge der Insel zu langgestreckten Keilteilen der Art, wie jene, die bei 164 und 166 veranschaulicht sind.
Wenn es der Oxidschicht 54 (Fig. 2) gestattet wird, an Ort und Stelle zwischen zwei gegenüberliegenden selbstabgefluchteten Spitzen zu bleiben, sind sie nicht relativ bewegbar. Jedoch beruht in diesem Falle die Spitzenstruktur auf Tunnelung durch das Oxid selbst von einer Spitze zur anderen. Solche Tunnelung wird durch Vorsehen von sehr scharfen Spitzen in sehr enger Nähe zueinander vergrößert; z. B. mit einem Spalt von etwa 20 Ångstrom zwischen den Enden von benachbarten Spitzen. In dem Fall, in welchem das Oxid vollständig entfernt wird, um die Insel oder den Träger von ihrer bzw. seiner unteren Träger- bzw. Halteschicht freizusetzen, werden die beiden gegenüberliegenden Spitzen mit Bezug aufeinander bewegbar, und machen eine Anzahl von anderen Anwendungen verfügbar, wie oben beschrieben. Eine Tunnelung oder Feldemission zwischen den gegenüberliegenden Elementen kann noch quer über den Spalt zwischen den Spitzen auftreten, wie oben beschrieben, aber außerdem können sich die Spitzen in Ansprechung auf eine externe Stimulierung bewegen.
Während der Bildung der sich schneidenden Träger 62 und 64, wie oben mit Bezug auf die Fig. 3 und 4 beschrieben worden ist, können elektronische Einrichtungen, wie Dioden, MOSFETs oder bipolare Transistoren in die Träger und in den Bereich der Schnittstelle eingearbeitet werden. Wenn eine solche Struktur in dem Bereich der Schnittstelle 66 vorgesehen wird, wird der externe bzw. nach außen gehende elektrische Kontakt mit der elektronischen Einrichtung über die Trägerstruktur und/oder die Elektroden, die auf der Oberfläche des Trägers hergestellt werden, unter Verwendung des gleichen Verfahrens vorgesehen, wie es für die Elektrode 104 in Fig. 2 veranschaulicht ist. Weiter kann das Ausmaß der Hinterschneidungsoxidation in der Ausnehmung 50 (Fig. 2, Schritt 6) dahingehend gesteuert werden, daß selektiv eine direkte Ohmsche elektrische Verbindung zu dem Substrat oder eine Tunnelungsverbindung zu dem Substrat oder eine totale Isolation von dem Substrat vorgesehen wird, und durch Steuern der Entfernung des Oxids unter der Insel kann die Kapazität zwischen der Insel und dem Substrat verändert werden. Wenn die Insel vollständig freigesetzt wird, so daß die Struktur beweglich wird, können auf dem Träger hergestellte elektronische Einrichtungen die Schaltung vorsehen, welche für das Steuern bzw. Regeln des vertikalen Abstands zwischen den Spitzen benötigt wird. Z. B. kann eine solche Schaltung die kapazitive Wirkung zwischen dem Träger und dem Substrat steuern bzw. regeln, so daß eine elektrostatische Steuerung bzw. Regelung des Trägers in der Art und Weise ermöglicht wird, welche durch die Wandler 120 bis 123 vorgesehen wird.
Die Ausbildung einer MOSFET-Einrichtung längs eines Trägers ist in Fig. 6 veranschaulicht, worin die obere Oberfläche der Insel 170, welche aus dem gleichen Siliciummaterial wie ihr darunterliegendes Substrat 172 ist, durch eine Gate- bzw. Toroxidschicht 174 und eine Polysilicongate- bzw. -torschicht 172 bedeckt wird. Die Seiten der Insel werden in irgendeiner geeigneten Art und Weise dotiert, um n&spplus;-Bereiche 178 und 180 auf diametral entgegengesetzten Seiten der Insel herzustellen. Die so ausgebildete MOSFET-Einrichtung bewegt sich mit dem Träger und ist elektrisch von der umgebenden Haltestruktur durch das isolierende Segment bzw. den isolierenden Abschnitt 110 isoliert, das bzw. der durch den Oxidationsschritt erzeugt wird, welcher im Querschnitt 4-4' veranschaulicht, ist. Danach kann eine elektrische Verbindung mit dem Gate- bzw. Torbereich 176 mittels eines verdampften oder gesputterten Metallfilms, wie eines Aluminiumfilms, erzeugt werden, der sich von dem Gate- bzw. Torbereich aus entlang dem Träger und quer über den oxidierten Bereich 110 zu einer geeigneten elektrischen Kontaktstelle erstreckt, und zwar in der Art und Weise des elektrischen Kontakts 104, der in Fig. 2 im Querschnitt 4-4' veranschaulicht und in den Fig. 3 und 4 gezeigt ist. Es können auch andere elektronische Einrichtungen in den Trägern in der gleichen Art und Weise wie die oben beschriebene MOSFET-Einrichtung vorgesehen Bein, wobei angemessene elektrische Verbindungen, wie sie erforderlich sind, hergestellt werden.
Obwohl die Erfindung hinsichtlich des Vorsehens von vertikalen selbstabgefluchteten konischen oder keilartigen Spitzen veranschaulicht worden ist, versteht es sich, daß auch horizontale selbstabgefluchtete Spitzen unter Benutzung der gleichen allgemeinen Techniken ausgebildet werden können. Ein Verfahren zum Ausbilden von horizontalen selbstabgefluchteten dualen keilartigen Spitzen ist in den Fig. 7, 8 und 9 veranschaulicht. Diese Technik basiert auf der Tatsache, daß die Oxidation des Siliciums durch sehr kleine "Fenster" in einer Nitridmaskenschicht stattfinden kann, und daß die Dicke des Oxids von der Weite bzw. Breite des Fensters abhängt. Wenn die Größe einer Fensteröffnung auf der Oberseite einer schmalen Siliciuminsel angemessen ausgewählt wird, kann demgemäß das Ausmaß, bis zu dem sich das Oxid, welches von der Oberseite der Insel nach abwärts wächst, dem Oxid annähert, welches unterhalb der Insel aufwärts wächst, in der Art und Weise der Oxidbildung in der Ausnehmung 50 der Fig. 2, Schritt 5 zugeschnitten werden, um horizontale selbstabgefluchtete gegenüberliegende keilförmige Spitzen vorzusehen, die ausgewählte Spalte zwischen benachbarten Spitzen haben.
Um horizontale selbstabgefluchtete Keile auszubilden, wird eine trägerförmige Insel 190 von einer Wafer, die ein Siliciumsubstrat 192 hat, gemäß dem Verfahren hergestellt, das in den Schritten 1 bis 4 der Fig. 2 veranschaulicht ist. Die Insel wird auf ihrer Oberseitenoberfläche (siehe Fig. 7) mit einer dünnen Schicht 194 aus Siliciumoxid ausgebildet, die durch eine Maskenschicht 196 aus Siliciumnitrid bedeckt wird, welche Schichten ähnlichen den Schichten 40 und 48 in Fig. 2 sind. Durch geeignete Maskierung der Insel 190 werden Submikron-Fenster 198 und 200 durch die Siliciumoxidschicht 194 und die Nitridschicht 196 auf der Oberseite der Insel 190 geätzt, um die Oberseitenoberfläche 202 des Siliciumsubstratmaterials 192 freizulegen. Danach wird die Oberfläche der Wafer oxidiert, wobei das Oxid durch die Fenster 198 und 200 nach abwärts wächst und nach aufwärts unter dem unteren Rand 203 der Maskenschicht 196 durch die Ausnehmungen 204 und 205, welche der Ausnehmung 50 der Fig. 2 entsprechen, in den oberen Teil der Insel wächst. Das Wachstum des Oxids ist durch die gestrichelten Pfeile 206 (siehe Fig. 8) angedeutet, und die Menge des gebildeten Oxids hängt von der Breite bzw. Weite des Submikron-Fensters, der Oxidationszeit, der Höhe der Insel, der Tiefe der Vertiefungsät zung, und dergleichen ab. Die Oxidation bewirkt, daß die Siliciuminsel 190 nicht nur in den hinterschnittenen Bereichen 204 und 205 sondern auch in den Fenstern 198 und 200 im Durchmesser verringert wird, so daß der gewünschte Grad an Isolation zwischen benachbarten Segmenten bzw. Abschnitten der Insel erzeugt wird. Der Oxidationsprozeß in dem Siliciummaterial erzeugt axial selbstabgefluchtete Spitzen in jedem Fenstersegment bzw. -abschnitt in der Form von Keilen, wobei die Achsen der Spitzen parallel zu dem Substrat sind, wie in Fig. 9 veranschaulicht ist. Die Keile entsprechen den Segmenten bzw. Abschnitten 207, 208 und 209 der Insel 190, wobei es sich versteht, daß die Segmente bzw. Abschnitte in Fig. 9 anfänglich von Oxid umgeben sind, das dann selektiv entfernt wird, um ausgewählte Keile für eine Relativbewegung mit Bezug aufeinander und/oder auf das Substrat freizusetzen.
Wie in den Fig. 8 und 9 veranschaulicht ist, sind die axial horizontalen Keile 207, 208 und 208, 209, die wie oben beschrieben hergestellt sind, durch Spalte 210 bzw. 212 voneinander beabstandet. Der Abstand zwischen den Spitzen hängt von der Breite bzw. Weite des Fensters ab. Obwohl die Oxidation gewöhnlich mit im wesentlichen der gleichen Rate bzw. Geschwindigkeit auf allen freiliegenden Oberflächen fortschreitet, ist dieses nicht der Fall, wenn sich die Fenstergröße dem tiefen Submikronbereich annähert; d. h., wenn die Fensteröffnung in dem Bereich von 0,1 bis 0,2 Mikron ist. Demgemäß fällt die Oxiddicke, die in einem Fenster gewachsen ist, ab, wenn die Fensteröffnung von etwa 1 Mikron in den Submikronbereich vermindert wird, und diese Verminderung in der Rate bzw. Geschwindigkeit ermöglicht es, daß dieser spezielle Prozeß abläuft.
Es sei bemerkt, daß die Öffnung eines "Fensters" in der Oberseitenoberfläche des Nitrids über die Seiten der Insel durch Überätzen des Nitrids verlängert werden kann, so daß ein Teil der Nitridseitenwand in der Nähe der Öffnung der oberen Oberfläche von der Siliciuminsel entfernt wird, wie durch die gestrichelten Linien 214 in Fig. 7 angedeutet ist. Dieses Entfernen der Nitridmaske von den Seitenwänden der Insel ermöglicht es, daß die Oxidation die Insel nicht nur von der oberen Oberfläche und von den unteren Ausnehmungen her erreicht, sondern auch von einem Teil oder der Gesamtheit der Seitenwand durch den Bereich 214. Auf diese Weise können anstelle der Keile der Fig. 9 selbstabgefluchtete konische Spitzen 216, 217 hergestellt werden, wie in den Fig. 22 und 23 veranschaulicht ist.
Der Schlüssel zum Ausbilden von lateralen Spitzen durch tiefe Submikronfenster auf der Oberseite der Insel und durch Fenster, welche sich über die seitlichen Ränder der Insel erstrecken, ist das Vorsehen einer die obere Oberfläche maskierenden Nitridschicht (unter welcher ein Beanspruchungs-Entlastungs-Oxidfilm abgelagert ist) und das weitere Vorsehen einer die Seitenwand maskierenden Nitridschicht. Demgemäß kann eine Steuerung der Form der horizontalen selbstabgefluchteten Spitzen durch die Verwendung der Submikron-Fenstertechnik oder durch die Benutzung von lithographischen Masken 42 (Fig. 2 und Fig. 22A) erreicht werden, um die Inseln zu erzeugen, die sich oberhalb des Siliciumssubstrats erstrecken. Anstelle des Ausbildens von rechteckigen trägerartigen Inseln, derart, wie in Fig. 7 veranschaulicht, ist es möglich, durch Elektronenstrahllithographie derart, wie jene, die z. B. in der Aufsicht von oben in der Fig. 22A veranschaulicht ist, unterschiedliche Formen zu erzeugen, welche unterschiedliche Muster der Oxidation erzeugen. Demgemäß kann die Maske, die die aufrechte Insel bildet, quadratisch, rund, rechteckig, sich verjüngend sein, kann mit gekrümmten Enden oder Seiten versehen sein, oder kann abgestuft sein, wie in Fig. 22A, wobei alles dieses zu unterschiedlichen Mustern der Oxidation führt und demgemäß zum Erzeugen von entsprechend unterschiedlichen Spitzen- und Trägerformen in horizontaler Selbstabfluchtung.
Wo eine Elektronenstrahllithographie benutzt wird, um die Inseln zu definieren bzw. zu begrenzen, wie generell bei 218 in Fig. 22A veranschaulicht ist, werden die dünnsten Linien, die gebildet werden können, durch. "Nullbreiten"-Spuren ausgebildet, welche in der Breite ein einziges Pixel bzw. Bildelement sind; d. h., die Linie hat angenähert die gleiche Größe wie der Elektronenstrahlfleckdurchmesser. Da sich ein solcher Elektronenstrahl in Schritten anstatt kontinuierlich bewegt, haben sie das Bestreben, eine Reihe von kreisförmigen Flecken oder Pixel bzw. Bildelementen zu erzeugen. Nullbreiten-Linien können dadurch gezogen werden, daß man zwei oder drei Spuren längs der gleichen Linie ausführt. Obwohl nominell die einzelnen Pixel- bzw. Bildelemente, welche von dem Strahl während jeder Spur gebildet werden, exakt an der gleichen Stelle landen, liefern sehr kleine Fehler in der Strahlplazierung von Spur zu Spur eine zufällige bzw. statistische Versetzung, so daß eine gerade Linie, wie die Linie 219, vorgesehen wird, die ausreichend ist, eine gegebene Resistschicht freizulegen bzw. zu belichten, um die gewünschte Linienbreite vorzusehen. Mehrfache und Seite-an-Seite-Durchgänge des Elektronenstrahls erzeugen die Linien 220 bis 225, wie in Fig. 22A veranschaulicht ist, um die gewünschte Breite und Form des freigelegten bzw. belichteten Bereichs in dem Resist vorzusehen und definieren demgemäß die Form der Insel, die während des hier beschriebenen Herstellungsprozesses ausgebildet wird. Verschiedene andere Techniken für das lithographische Definieren bzw. Begrenzen der Form der Insel sind ersichtlich.
Die oben beschriebenen Maskierungs- und Oxidationsschritte führen zu Querschnittsstrukturen, wie sie in den Fig. 22B, 22C und 22D veranschaulicht sind, in den Querschnittsbereichen B bzw. C bzw. D der Fig. 22A. Demgemäß führt eine Nitridmaske 226 in dem Bereich der einzelnen geätzten Linie 219 zu einem isolierten Trägerteil 227, der im Abstand über einem Substrat 228 angeordnet und durch Oxid 229 getrennt ist, wie im Querschnitt in Fig. 22B zu sehen ist. Die einzelne Linie erzeugt außerdem seitlich verengte Bereiche 230 (in der Aufsicht von oben), wie in Fig. 23 veranschaulicht ist, welche zu der Bildung von gegenüberliegenden Spitzen 216 und 217 führt, die längs der Linie 219 abgefluchtet sind.
Die Ätzlinien 220 und 223 (Fig. 22A) erzeugen einen lateral weiteren bzw. breiteren Bereich im Träger 227, wie bei 232 im Querschnitt C-C in Fig. 23 veranschaulicht ist, wobei der Träger von dem Substrat in der Art und Weise isoliert wird, wie sie in Fig. 22C veranschaulicht ist. In ähnlicher Weise führen Ätzlinien 221, 222, 224 und 225 zu einem noch weiteren bzw. breiteren Bereich 233 im Träger 227, wie wiederum im Querschnitt D-D in Fig. 23 veranschaulicht ist. Dieser Träger ist in der dargestellten Ausführungsform im Querschnitt D-D, der in Fig. 22D veranschaulicht ist, nicht vom Substrat 228 isoliert, jedoch ist der Träger 227 mittels eines Sockelbereichs 234 auf dem Substrat 228 gehaltert, so daß dadurch die horizontal beabstandeten, lateral abgefluchteten Spitzen in einer Freiträgerweise gehaltert sind.
Die horizontalen selbstabgefluchteten Spitzen der Fig. 9 und 23 sind wichtig, weil sie einen vorteilhaften Weg zum Vorsehen von sehr kleinen Kondensatoren, die in eine Siliciumwafer integriert sind, bilden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es auch möglich, Strukturen zu erzeugen, worin mehrere selbstabgefluchtete Spitzenpaare in vertikaler Fluchtung durch bzw. über die Höhe einer Insel hergestellt sind. Ein Beispiel des Verfahrens zum Herstellen einer solchen Struktur ist in Fig. 10, Schritte 1 bis 7, veranschaulicht. Der Schritt 1 veranschaulicht eine Standard-ISLO- Struktur, die gemäß dem Verfahren der Schritte 1, 2 und 3 der Fig. 2 ausgebildet wird. Diese Struktur umfaßt ein Siliciumsubstrat 235, das so ausgebildet ist, daß es einen aufrechten Inselteil 236 aufweist, auf dem sich eine erste Oxidschicht 237 (Ox-1), eine erste Nitridschicht 238 (Ni-1) und eine zweite Oxidschicht 239 (Ox-2) befinden. Wie dargestellt, erstreckt sich eine zweite Nitridschicht 240 (Ni-2) vollständig über die Oberseite und die Seiten der Insel.
Im Schritt 2 wird zuerst die Nitridschicht 240 von den horizontalen Oberflächen durch RIE entfernt, wobei die Nitridschicht 240 auf den Seitenwänden bleibt. Der RIE-Ätzprozeß wird fortgesetzt, wobei die Oxidschicht 239 die Nitridschicht 238 schützt, während ein Teil der Nitridschicht 240 auf der Seitenwand entfernt wird. Dieses "Überätzen" läßt nur die partiellen Seitenwandnitridabschnitte 241 und 242 (Ni-2) übrig.
Die Struktur wird als nächstes planar gemacht, wie im Schritt 3 der Fig. 10 veranschaulicht ist, und zwar z. B. durch die Verwendung eines Polyimidharzes oder einer Aufspinnglas(SOG)-Schicht, gefolgt von einem Rückätzen, um einen Oberseitenteil der Insel aufzudecken. Demgemäß erstreckt sich, wie im Schritt 3 dargestellt, die Insel 236 über eine SOG-Schicht 243, welche auf der horizontalen oberen Oberfläche des Substrats 235 liegt, aber welche den oberen Teil der Insel 236 und deren Abdeckungsschichten 237 bis 239 freiliegend läßt.
Der nächste Schritt besteht, wie im Schritt 4 in Fig. 10 dargestellt ist, darin, eine LPCVD (Chemische Dampfablagerung bei niedrigem Druck)-Nitridschicht 244 (Ni-3) über der gesamten Struktur abzulagern. LPCVD-Nitrid ist ein Hochtemperaturmaterial, welches mit bzw. auf Aufspinnglas verwendet wird; wenn ein Polyimidharz dazu benutzt wird, die Struktur planar zu machen, würde jedoch ein Niedigtemperaturnitrid verwendet werden. Danach wird, wie im Schritt 5 dargestellt, ein RIE-Prozeß ausgeführt, wie es im Schritt 2 geschehen ist, um das Nitrid 244 von den horizontalen Oberflächen zu entfernen, während die Seitenwände durch die Abschnitte 245 und 246 bedeckt gelassen bleiben. Die SOG-Schicht 243 wird dann gestrippt bzw. abgestreift, wobei die Seitenwände der Insel 236 mit Nitridabschnitten 241 und 242 (Ni-2) vom Schritt 2 und die Abschnitte 245 und 246 (Ni-3) vom Schritt 5 bedeckt gelassen werden. Die Nitridschichten 245 und 246 wirken mit der Nitridschicht 238 zur Ausbildung einer kontinuierlichen Oxidationsmaske quer über die Oberseite der Insel zusammen.
Wie im Schritt 6 veranschaulicht ist, wird dann eine Vertiefungsätzung ausgeführt, um die Insel sowohl am oberen als auch am unteren Ende der Seitenwandmaskenabschnitte 241 und 242 zu hinterschneiden, so daß dadurch die Ausnehmungen 247 und 248 auf entgegengesetzten Seiten der Insel oberhalb der Abschnitte 241 und 242 erzeugt werden und die Ausnehmungen 249 und 250 unterhalb der Abschnitte 241 und 242 vorgesehen werden.
Im Schritt 7 wird die Struktur oxidiert, wobei die Oxidation 251 und 252 Teile der Insel 236 in jeder der Ausnehmungen 247, 248 und 249, 250 in der Art und Weise hinterschneidet, die mit Bezug auf Fig. 2, Schritt 6 beschrieben worden ist. Danach werden die dielektrischen Seitenwand- und Oberseitenschichten 237, 238, 239, 241, 234, 245 und 246 entfernt, während die Isolationsoxide 251 und 252 zurückgelassen werden, um die segmentierte bzw. aus Abschnitten bestehende dargestellte Inselstruktur zu erzeugen. Die Oxidschichten können dann entfernt werden, wobei die Insel 236, geteilt in zwei Teile, zurückbleibt, wie bei 236' und 236" im Schritt 8 gezeigt ist. Dieses führt zu einem ersten Paar von selbstabgefluchteten gegenüberliegenden konischen oder keilartigen Spitzen 252 zwischen den Inselabschnitten 236' und 236", und einem zweiten Satz von gegenüberliegenden konischen oder keilartigen Spitzen 254 zwischen dem Inselabschnitt 236' und dem Substrat 235. Es ist evident, daß das gleiche generelle Verfahren wie jenes, das in Fig. 2 veranschaulicht ist, dazu verwendet werden kann, Trägerstrukturen zum Halten von jedem der Inselabschnitte 236' und 236" zu erzeugen, und daß zusätzliche Sätze von vertikal selbstabgefluchteten Spitzen unter Verwendung der Technik der Fig. 10 hergestellt werden können. Weiterhin kann eine nach aufwärts gewandte Spitze 255, wie im Schritt 8A der Fig. 10 veranschaulicht ist, durch eine Abwandlung des Verfahrens der Fig. 10 vorgesehen werden. In dieser Alternative wird nach dem Schritt 7 der oberste Inselabschnitt 236" entfernt, wie durch eine anisotrope Siliciumätzung, während die isolierenden Oxidschichten 251 und 252 noch an Ort und Stelle sind. Danach streift eine isotrope Oxidätzung die Oxidschichten 251 und 252 zum Freisetzen der Insel 236' ab, wie in Fig. 10, Schritt 8A dargestellt ist.
Eine zweite Prozedur zur Herstellung von nach aufwärts gewandten Spitzen ist in Fig. 11 veranschaulicht, welche ähnlich bzw. gleichartig dem Verfahren der Fig. 10 ist. Schichten, die den Schritten der Fig. 10 und 11 gemeinsam sind, sind gleichartig numeriert. Dieses zweite Verfahren des Herstellens einer nach aufwärts gewandten Spitze beinhaltet fünf Schritte. Schritt 1 ist gleichartig dem Schritt 1 der Fig. 10, indem er eine Siliciuminsel 236 liefert, die aus einem Substrat 235 gebildet ist, wobei die Insel ein geschichtetes Dielektrikum auf ihrer Oberseitenoberfläche hat, das aus einer ersten Oxid-, einer Nitrid-, einer zweiten Oxid- und einer zweiten Nitridschicht besteht, die jeweils bei 237, 238, 239 und 240 dargestellt sind. Die Nitridschicht 240 bedeckt die Seitenwand der Insel 22, wie im Schritt 1 veranschaulicht ist. Im Schritt 2 wird ein RIE-Schritt dazu benutzt, das meiste der Ni-2-Schicht 240 auf der Oberseite der Insel und auf der Oberfläche des Siliciumsubstrats 235 zu entfernen. Die Ni-2-Schicht wird überätzt, so daß der bei 241 und 242 in Fig. 2 dargestellte Seitenwandteil bis zu einer Stelle gerade unterhalb der Ni-1-Schicht 238 erodiert wird, wodurch der obere Teil der Oxidschicht 237 in einem Spalt zwischen der Ni-1- und der Ni-2-Schicht 238 und 241, 242 freigelegt wird.
Im Schritt 3 der Fig. 11 wird eine Vertiefungsätzung (wie im Schritt 6 der Fig. 10) auf der Oberfläche des Substrats 235 ausgeführt, um eine Ausnehmung 256 herzustellen, die die Insel 236 hinterschneidet. Während dieses Vertiefungsätzschritts schützt die Oxidschicht 239 die Oberseite der Siliciuminsel 236. Danach werden, wie im Schritt 4 dargestellt ist, die Insel und die Oberfläche des Substrats 235 oxidiert, wobei bewirkt wird, daß die Ox-1-Schicht 237 in der Art und Weise wächst, wie bei 257 veranschaulicht ist. In entsprechender Weise findet eine Oxidation in der Vertiefung 256 statt, um die Oxidschicht 258 auf der Oberfläche des Substrats 235 zu erzeugen und die Insel 236' zu hinterschneiden, um die Insel von dem Substrat zu isolieren. Diese Oxidation des Siliciums sowohl auf der Oberseitenoberfläche als auch auf dem Boden der Insel 22 erzeugt die nach abwärts gewandten gegenüberliegenden Spitzen 254, wie vorher mit Bezug auf den Schritt 7 der Fig. 10 beschrieben worden ist, jedoch bildet er zusätzlich eine nach aufwärts gewandte Spitze 259 aus, wie im Schritt 4 der Fig. 11 veranschaulicht ist. Die Oxid- und die Maskierungsnitridschicht werden dann im Schritt 5 der Fig. 11 entfernt, wobei das Substrat 235 und der freigelegte Inselteil 236 übrig bleiben, welche in der Form eines Trägers mit einem selbstabgefluchteten gegenüberliegenden Spitzenpaar 254 und mit einer nach aufwärts gewandten Spitze 259 sein können.
Die Fig. 12 veranschaulicht einen Herstellungsprozeß, welcher die Merkmale der Fig. 10 und 11 vereinigt, um mehrfache, vertikal übereinandergeschichtete, selbstabgefluchtete Spitzen vorzusehen. Der Schritt 1 dieses Verfahrens ist der gleiche wie der Sehritt 5 des Verfahrens der Fig. 10, und gleichartige Elemente sind gleichartig numeriert. Es sollte bemerkt werden, daß die im Schritt 1 dargestellte Struktur wie bei dem Verfahren der Fig. 10 eine Mehrzahl von vertikal beabstandeten Öffnungen aufweisen kann, wie die Öffnung 260 zwischen der unteren Seitenwandnitridschicht 241, 242 und der oberen Seitenwandnitridschicht 245, 246, um zusätzliche vertikal abgefluchtete Spitzenabschnitte in der Insel 236 vorzusehen. Diese zusätzlichen Öffnungen können durch Wiederholen der Schritte 3, 4 und 5 des Verfahrens der Fig. 10 ausgebildet werden, um Seitenwandabschnitte bis zu der Höhe der Insel 236 aufzubauen.
Es sei auf den Schritt 2 der Fig. 12 Bezug genommen, wonach, nachdem die obere Seitenwandbeschichtung 245, 246 vorgesehen worden ist, diese zurückgeätzt wird, um die obere dielektrische Übereinanderschichtung, welche die Schichten 237, 238 und 239 aufweist, in der Art und Weise freizulegen, die im Schritt 2 der Fig. 11 veranschaulicht ist, wobei die Seitenwände von wenigstens dem oberen Teil der Insel 236 und ein Teil der Oxid-1-Schicht 237, der von Nitridschichten 245, 246 bedeckt ist, zurückbleiben. Danach wird der in dem Schritt 6 der Fig. 10 dargestellte Ätzschritt ausgeführt, der zu Ausnehmungen 247 und 248 (siehe den Schritt 3 der Fig. 12) in der Öffnung 260 und Ausnehmungen 249 und 250 unterhalb der Schichten 241, 242 führt, so daß dadurch die Insel 236 an zwei Orten hinterschnitten wird (und an zusätzlichen Orten, wenn die Seitenwandnitridschicht weiter segmentiert bzw. in Abschnitte unterteilt ist bzw. wird, wie oben erörtert).
Die Insel wird, wie im Schritt 4 der Fig. 12 veranschaulicht ist, oxidiert, um dadurch die Abschnitte 236' und 236" durch Oxidschichten 262 und 264 zu isolieren. Der Oxidationsschritt oxidiert außerdem weiter die Schicht 237 (Oxid-1), wie bei 237' veranschaulicht ist, und er oxidiert dadurch die Siliciuminsel an ihrer Grenzfläche mit der Schicht 237. Diese Oxidation der oberen Oberfläche der Insel 236 erzeugt eine nach aufwärts gerichtete Spitze 266 zur gleichen Zeit, in welcher der Oxidationsprozeß die Insel an dem Ort der Ausnehmungen 247, 248 und 249, 250 hinterschneidet, um die Inselabschnitte 236' und 236" in der mit Bezug auf Fig. 10 beschriebenen Art und Weise zu isolieren. Das Oxid kann dann entfernt werden, um separate Abschnitte 236' und 236" zu erzeugen, wie im Schritt 4 der Fig. 12 gezeigt ist, so daß dadurch eine ungerade Anzahl von vertikalen selbstabgefluchteten Spitzen hergestellt wird, welche als ein Teil von entsprechenden freitragenden Trägern ausgebildet sein können, z. B. in der vorher beschriebenen Art und Weise.
Ein anderes Verfahren zum Ausbilden von mehrfachen Spitzen, die in vertikaler Fluchtung übereinandergeschichtet sind, ist in Fig. 13 dargestellt, worauf nun Bezug genommen wird. In diesem Verfahren werden zwei (oder mehr) unabhängige selektive Oxidationsschritte in Verbindung mit zwei (oder mehr) Oxid/Nitrid/Oxid-Übereinanderschichtungen (ONO- Übereinanderschichtungen), die durch Polysiliciumfilme getrennt sind, benutzt. Das Verfahren beginnt damit, daß zwei (z. B.) ONO-Übereinanderschichtungen gewaschen gelassen und abgelagert werden, wie im Schritt 1 der Fig. 13 veranschaulicht ist. Die erste ONO- Übereinanderschichtung 270 besteht aus den Schichten OX-1, Ni-1 und OX-2 und ist ähnlich der dielektrischen Übereinanderschichtung, wie sie in Fig. 12, Schritt 1 gezeigt ist. Ein Polysiliciumfilm 272 wird auf der Oberseite der Übereinanderschichtung 270 ausgebildet, und, wo zwei Paare von vertikal selbstabgefluchteten Spitzen ausgebildet werden sollen, wird eine zweite ONO-Übereinanderschichtung 274 ausgebildet, die aus den Schichten OX-3, Ni-4 und OX-4 besteht. Danach werden die Seitenwände der Insel mit einer Nitridschicht Ni-5 bedeckt, wie bei 276, 278 im Schritt 2 der Fig. 13 gezeigt ist, die durch Ablagerung einer Nitridschicht über der gesamten Insel und dann Wegätzen derselben von der horizontalen Oberfläche ausgebildet wird.
Wie im Schritt 3 der Fig. 13 veranschaulicht ist, wird die mittels des Schritts 2 erzeugte Struktur in der Art und Weise, welche mit Bezug auf den Schritt 6 der Fig. 10 beschrieben worden ist, vertiefungsgeäzt, um Ausnehmungen 280 und 282 zu erzeugen, welche die Insel 236 hinterschneiden. Das freigelegte Silicium wird oxidiert, wie bei 284 im Schritt 4 der Fig. 13 dargestellt ist, um den Inselabschnitt 236' zu isolieren und das Spitzenpaar 285 auszubilden, und dann werden die dielektrische ONO-Übereinanderschichtung 274, die Seitenwandschichten 276, 278 und das Oxid 284 auf der Oberfläche des Substrats 235 entfernt, wozu eine Kombination von isotropen und anisotropen Ätzschritten benutzt wird. Dieser Ätzschritt stoppt an dem Polysiliciumfilm 272, wie im Schritt 5 gezeigt ist, sowie außerdem an der Oberfläche des Silicium substrats 235, so daß der obere Inselabschnitt 236', der Polysiliciumfilm 272 und die von dem Oxid 284 getragene ONO-Übereinanderschichtung 270 zurückbleiben.
Dann wird ein zweites vertikal abgefluchtetes Spitzenpaar mittels eines RIE- Einschnittätzverfahrens, das ähnlich jenem im Schritt 2 der Fig. 2 ist, ausgebildet, um die Höhe der Insel 236 durch Ausbildung eines unteren Inselteils 290 in dem Substrat 235 zu erstrecken, wie im Schritt 6 der Fig. 13 dargestellt ist. Dieses verbraucht die Polysiliciumschicht 272, aber die ONO-Übereinanderschichtung 270 bleibt als eine selbstabgefluchtete Maske für die RIE- Ätzung. Dieses wird im Schritt 7 durch die Bildung von Seitenwandnitridabstandhalterschichten 292, 294 in der mit Bezug auf den, Schritt 2 beschriebenen Art und Weise gefolgt, worauf wiederum eine Vertiefungsätzung zum Ausbilden der Ausnehmungen 296, 298 folgt. Das freigelegte Silicium wird, wie im Schritt 8 dargestellt, oxidiert, um die Oxidschicht 300 auf der Oberfläche des Substrats 235 und in den Ausnehmungen 296, 298 zu erzeugen, um den Inselteil 290 zu hinterschneiden, so daß dadurch ein Inselabschnitt 290' isoliert wird. Gleichzeitig wird ein zweites Paar von gegenüberliegenden Spitzen, wie bei 302, zwischen dem Inselabschnitt 290' und dem Substrat 235 ausgebildet. Die Seitenwandabstandhalter 292, 294, die ONO-Schicht 270 und das Oxid 284 und 300 können dann entfernt werden, um die Inselabschnitte 236' und 290 freizumachen, wie im Schritt 9 der Fig. 13 veranschaulicht ist.
Wie durch die Schritte der Fig. 13 veranschaulicht ist, können zwei Sätze von gegenüberliegenden Spitzen durch die Verwendung von zwei ONO-Übereinanderschichtungen, die auf der Insel 236 ausgebildet werden, vorgesehen werden, Zusätzliche Paare von Spitzen können durch Hinzufügen von zusätzlichen ONO-Übereinanderschichtungen und Wiederholen des oben beschriebenen Verfahrens des Erhöhens der Inselhöhe (wie durch den beschriebenen Einschnittätzprozeß), Hinzufügen von Seitenwandabstandhalterschichten, Vertiefungsätzung, etc. hergestellt werden.
Durch Kombinieren des Verfahrens der Fig. 13 mit jenem der Fig. 11 kann eine ungerade Anzahl von Spitzen erzeugt werden, wobei die ungeradzahlige Spitze nach aufwärts vorsteht. Dieses kombinierte Verfahren ist das gleiche wie jenes der Fig. 13, jedoch mit der Ausnahme, daß die Schritte 7, 8 und 9 abgewandelt sind. Die aufwärtige Spitze wird durch Erosion der Seitenwandnitridschicht 292, 294 der Fig. 13, um die OX-1-Schicht der ONO- Übereinanderschichtung 270 freizulegen, ausgebildet. Dieses liefert Öffnungen, durch welche die Oberseite des Abschnitts 236' oxidiert werden kann, um eine nach aufwärts gewandte Spitze während der Oxidation im Schritt 8 auszubilden, welche das unterste Spitzenpaar 302 bildet.
In jedem der vorstehenden Herstellungsverfahren ist zu bemerken, daß eine nach auf wärts vorstehende Spitze von irgendeinem bzw. jedem Verfahren erzeugt werden kann, das ein Spitzenpaar erzeugt, und zwar durch selektive Entfernung einer entsprechenden, nach abwärts gewandten Spitze oder durch selektives Freilegen der Oberseite einer Insel zu einem Oxidationsprozeß. Solche nach aufwärts gewandten Spitzen können für eine Vielfalt von Zwecken, einschließlich der Herstellung von Feldemittern, verwendet werden. Es sei außerdem bemerkt, daß die Erosion des Seitenwandnitrids für die Herstellung von nach aufwärts gewandten Spitzen in den Verfahren der Fig. 11 und 12 (Schritt 2) eine sorgfältige zeitliche Steuerung der Erosion erfordert, um sicherzustellen, daß die korrekte Menge an darunterliegendem Material freigelegt wird.
Die oben beschriebenen Techniken gestatten die Bildung von lateralen und vertikalen selbstabgefluchteten konischen und keilartigen Spitzen, sie gestatten die Bildung von vertikal übereinandergeschichteten selbstabgefluchteten Spitzen, die auf Trägern oder anderen Strukturen gehalten sind, sie gestatten die Bildung von mehrfachen Spitzenpaaren, die längs Trägern und an den Schnittstellen der Träger im Abstand angeordnet sind, und sie gestatten die Bildung von nach aufwärts gewandten Spitzen, die sich auf den Oberseiten der Träger befinden. Eine solche Vielfalt von Strukturen ermöglicht einen weiten Bereich an Verwendungen für die bewegbaren Spitzenpaare der vorliegenden Erfindung.
Obwohl die Verwendung eines X-förmigen Spitzenhalters an der Schnittstelle von linearen Trägern, die gemäß den Fig. 1 und 3 aufgebaut sind, zufriedenstellend gearbeitet hat, ist ersichtlich, daß eine Lateralbewegung von jedem Träger durch die Beabstandung zwischen den Platten der Kondensatoren, welche die Wandler 120, 122, 124 und 126 bilden, eingeengt wird. Demgemäß wird z. B., wenn der Träger 62 durch selektive Erregung der Wandler 120 und 122 in einer Längsrichtung bewegt wird, der Träger 64 einer Lateralbewegung längs der gleichen Achse aufgrund der Verbindung der Träger miteinander bei 66 unterworfen. Diese Lateralbewegung wird durch die Beabstandung zwischen benachbarten ineinandergreifenden bzw. doppelkammartigen Platten in den kapazitiven Wandlern 124 und 126 beschränkt.
Die vorstehende Beschränkung kann durch das Vorsehen von versetzten Halteträgern überwunden werden, die so geformt sind, daß die Bewegung der Schnittstelle der Träger in der (X-Y)-Ebene der Träger durch Biegemomente in beiden Trägern eher als eine Längsbewegung in einem und eine Lateralbewegung in dem anderen, erzeugt wird. Diese Konstruktion vermeidet die Notwendigkeit von ineinandergreifenden bzw. doppelkammartigen Kondensatorplatten, wobei sie eine freiere Bewegung der Schnittstelle ermöglicht, welche die Spitze in der X-Y-Ebene hält. Diese alternative Bauweise ist in Fig. 14 veranschaulicht, auf die nun Bezug genommen wird.
In der Ausführungsform der Fig. 14 inkorporiert eine bewegbare Spitzenstruktur, die allgemein bei 360 gezeigt ist, ein Paar von gekreuzten, versetzten Trägern 362 und 364, die in einer Ausnehmung 366 angebracht sind, welche in einem Substrat 368 ausgebildet ist. Die Träger 362 und 364 sind in der Art und Weise der in den Fig. 3 und 4 veranschaulichten linearen Träger 62 und 64 ausgebildet und erstrecken sich demgemäß generell quer über die Ausnehmung 366, sowie parellel zu und beabstandet von dem Ausnehmungsboden 370. Die Träger 362 und 364 kreuzen einander und sind an der Schnittstelle 372 verbunden, so daß sie einen X-förmigen Halter für eine obere Spitze (nicht gezeigt) eines selbstabgefluchteten Spitzenpaars, wie die konischen Spitzen 22 und 12, die in den Fig. 3 und 4 veranschaulicht sind, bilden. Die versetz ten Träger liegen in einer horizontalen X-Y-Ebene und sind so geformt, daß die auf dem X- förmigen Halter 372 angebrachte obere Spitze in jeder Richtung in der X-Y-Ebene der Träger bewegt werden kann, und ebensogut in der Z-Richtung bewegt werden kann. Diese dreidimensionale Bewegung kann entweder durch Wandler erzeugt werden, wie kapazitive Platten, welche auf den bewegbaren Trägern und auf benachbarten Wänden der Ausnehmung 366 angebracht sind, oder durch externe bzw. von außen auf das Substrat angewandte mechanische Kräfte, in welchem Fall die Wandler dazu benutzt werden können, die Relativbewegung dieser Träger zu überwachen, wie oben z. B. mit Bezug auf die Ausführungsformen der Fig. 3 und 4 erörtert worden ist.
In der bewegbaren Spitzensttuktur 364 der Fig. 14 unterscheiden sich die Träger 362 und 364 von den Trägern der Fig. 3 und 4 darin, daß sie keine axialen Federn aufweisen. Stattdessen weisen die Träger versetzte, generell J-förmige Abschnitte auf, die als laterale Federn wirken, um Vorteil aus den lateralen Biegemomenten zum Ermöglichen einer Bewegung in der X-Y-Ebene zu ziehen. Demgemäß ist der Träger 362 an seinem, bezogen auf die Ansicht der Fig. 14, linken Ende 374 mit der vertikalen Wand 376 verbunden, welche den Umfang der Ausnehmung 366 bildet. Der Endabschnitt 374 ist parallel zu einer X-Achse der Spitzenstruktur 360, und er ist durch einen sich seitlich erstreckenden Abschnitt 378 mit einem zweiten axialen Abschnitt 380 verbunden. Der Abschnitt 380 ist mit einem zweiten seitlichen Abschnitt 382 verbunden. Die Abschnitte 378 und 380 erstrecken sich in entgegengesetzten Richtungen, wobei der Abschnitt 378 von der Schnittstelle 372 weg nach der Umfangswand 376 zu führt, und der Abschnitt 382 nach der Schnittstelle 372 zu führt, so daß dadurch ein generell J-förmiger Trägerabschnitt gebildet ist. Der Abschnitt 382 ist (bezogen auf die Ansicht der Fig. 14) mit dem linken Ende eines sich axial erstreckenden Spitzenhalteabschnitts 384 verbunden, welcher einen Teil des X-förmigen Spitzenhalters 372 bildet. Der Rest des Trägers ist ähnlich bzw. gleichartig dem vorstehenden und umfaßt einen axialen Abschnitt 386, der auf der Wand 376 an dem Ende des Trägers 362 entgegengesetzt bzw. gegenüber dem Endabschnitt 374 angebracht ist. Der Träger umfaßt weiter einen lateralen Abschnitt 388, einen axialen Abschnitt 390 und einen lateralen Abschnitt 392, der mit dem rechten Ende des Spitzenhalteabschnitts 384 verbunden ist. Demgemäß erstreckt sich der Träger 362 generell parallel zu der X-Achse der Spitzenhaltestruktur 360, er weist jedoch zwei J-förmige versetzte Abschnitte zum Vorsehen einer versetzten Trägerstruktur auf. Diese versetzte Struktur sieht Flexibilität in der X-Achsenrichtung der Bewegung der Spitze an der Schnittstelle 372 primär durch eine Biegebewegung der sich lateral erstreckenden Abschnitte 378, 382, 388 und 392 vor. Die Y-Achsen-Flexbilität wird durch Biegebewegung in den sich axial erstreckenden Abschnitten 374, 380, 386 und 390 vorgesehen.
Die Steuerung bzw. Regelung der Bewegung des Trägers 362 wie auch die Detektion der Bewegung wird durch vier Wandler 400, 401, 402 und 403 vorgesehen, wobei die Wandler 400 und 402 auf den sich axial erstreckenden Abschnitten 380 bzw. 390 des Trägers 362 lokalisiert sind und die Wandler 401 und 403 auf den sich lateral erstreckenden Abschnitten 382 bzw. 392 lokalisiert sind. Die Erregung der Wandler 401 und 403 hat das Bestreben, die Schnittstelle des Spitzenhalters 372 längs der X-Achse der Einrichtung zu bewegen, während die Erregung der Wandler 400 und 402 das Bestreben hat, den Spitzenhalter 372 längs der Y-Achse zu bewegen.
In entsprechender Art und Weise ist die Y-Achsenbewegung des Spitzenhalters 372 durch den Y-Achsenträger 364 vorgesehen, der an seinen entgegengesetzten Enden mit der Wand 376 auf entgegengesetzten Seiten der Ausnehmung 366 verbunden ist. Der Träger 364 weist (bezogen auf Fig. 14) an seinem oberen Ende einen axialen Abschnitt 410, einen lateralen Abschnitt 412, einen axialen Abschnitt 414 und einen lateralen Abschnitt 416 auf, die so verbundens sind, daß sie einen ersten J-förmigen Abschnitt bilden. Dieser Abschnitt ist mit dem oberen Ende eines Spitzenhalteabschnitts 418 verbunden, der den Y-Achsenteil des Spitzenhalters 372 bildet. Das entgegengesetzte Ende des Trägers 364 weist entsprechend einen axialen Abschnitt 420, einen lateralen Abschnitt 422, einen axialen Abschnitt 424 und einen lateralen Abschnitt 426 auf, die einen zweiten J-förmigen Abschnitt des Trägers 364 bilden und mit dem unteren Ende des Spitzenhalteabschnitts 418 verbunden sind. Der Träger 364 hat demgemäß die gleiche versetzte Struktur wie der X-Achsenträger 362.
Der Träger 364 weist vier Wandler 430, 431, 432 und 433 auf, die längs des Trägers so verbunden sind, daß sie sowohl eine Y-Achsen- wie auch eine X-Achsenbewegung des Trägers vorsehen. Die Wandler 431 und 433 sind mit den Abschnitten 416 und 426 verbunden, um den Y-Abschnitt 418 axial längs der Y-Achse zu bewegen, während die Wandler 430 und 432 mit den Abschnitten 414 und 424 verbunden sind, um den Träger 364 und demgemäß den Spitzenhalteabschnitt 372 lateral, längs der X-Achse zu bewegen.
Vorzugsweise sind die Wandler 400 bis 403 und 430 bis 433 Kondensatoren, wobei jeder eine Platte hat, die auf seinem entsprechenden Trägerabschnitt zur Bewegung mit dem Träger angebracht ist, während seine entgegengesetzte Platte auf einem benachbarten Wandteil der Ausnehmung 366 angebracht ist. Die an der Wand angebrachten Platten sind stationär und jede ist elektrisch mit einer geeigneten Steuer- bzw. Regelschaltung (nicht gezeigt) verbunden, wie mittels elektrischer Leitungen, wie es die Leitungen 440 bis 443 sind, die jeweils mit den Wandlern 400 bis 403 verbunden sind, und die Leitungen 444 bis 447, die jeweils mit den Wandlern 430 bis 433 verbunden sind.
Durch Anlegen von geeigneten Spannungen an ausgewählte Platten der Kondensatoren kann die Bewegung des Spitzenhalters 372 präzise in der X-Y-Ebene gesteuert bzw. geregelt werden. Umgekehrt kann eine Relativbewegung des Spitzenhalters mit Bezug auf das Substrat, die z. B. durch eine auf das Substrat angewandte äußere Kraft bewirkt wird, durch die Wandler genau detektiert werden.
Die Träger 362 und 364 sind an entgegengesetzten Enden mit entsprechenden elektrischen Leitern verbunden, wie den Leitern 450 und 451 für den Träger 362 und den Leitern 452 und 453 für den Träger 364, um es zu ermöglichen, daß der Träger mit einer geeigneten Steuer- bzw. Regelschaltung (nicht gezeigt) verbunden wird. Diese Leiter sind auf der oberen Oberfläche des Substrats 368 in der Art und Weise ausgebildet, wie sie für die Leiter 132, 134 in der Einrichtung der Fig. 4 beschrieben worden ist. Darüberhinaus kann eine Steuer- bzw. Regelschaltung auch integral mit dem Substrat oder der Wafer 368 unter Verwendung von konventioneller Technologie integrierter Schaltungen ausgebildet sein.
Obwohl das in Fig. 14 nicht dargestellt ist, versteht es sich, daß die Träger 362 und 364 vorzugsweise integral mit der Wand 376 des Substrats 368 verbunden sind und durch eine Oxidschicht gehalten sein können, wie es die in den Fig. 3 und 4 dargestellte Schicht 54 ist. Alternativ können die Träger auf Sockeln, wie der Oxidbasis 54, gehalten sein, ohne mit der Seitenwand der Ausnehmung verbunden zu sein. Weiterhin können die Träger dadurch von dem umgebenden Substrat isoliert sein, daß ein Oxidabschnitt an jedem Ende des Trägers oder an zwischenliegenden ausgewählten Orten auf dem Träger in der Art und Weise vorgesehen wird, die oben mit Bezug auf die Oxidabschnitte 110 in der Einrichtung der Fig. 3 und 4 beschrieben worden ist, wobei Elektroden vorgesehen sind, wo sie benötigt werden, um gewünschte elektrische Verbindungen quer über die isolierenden Abschnitte zu erzeugen.
Wie oben bemerkt, weist der Träger 362 den X-Achsenteil 384 des Spitzenhalters 372 auf, und demgemäß kann er, obwohl der Träger versetzte Teile hat, als der X-Achsenträger bezeichnet werden. In ähnlicher Art und Weise weist der Träger 364, obwohl er versetzte Teile hat, den Y-Achsenteil 418 des Spitzenhalters 372 auf und kann als der Y-Achsenträger bezeichnet werden. Die Wandler 401 und 403 haben, wenn sie erregt werden, das Bestreben, den Trägerabschnitt 384 in der X-Achsenrichtung zu bewegen, wobei diese Bewegung durch den generell J-förmigen Abschnitt aufgenommen wird, der von den Abschnitten 378, 380 und 382 gebildet ist, und durch den generell J-förmigen Abschnitt, der durch die Abschnitte 388, 390 und 392 ausgebildet ist, die sich auf entgegengesetzten Seiten des Spitzenhalters befinden. Diese Abschnitte haben das Bestreben, die Spitze in einem Zentrumsort zu halten, aber die Beuge- oder Biegebewegung dieser beiden J-förmigen Abschnitte des Trägers 362 ermöglicht es, daß der Spitzenhalter 372 längs der X-Achse der Einrichtung bewegt wird. Die Lateralbewegung des Abschnitts 384 kann teilweise durch die Wandler 400 und 402 gesteuert bzw. geregelt werden, welche eine Beuge- bzw. Biegebewegung in den Trägerabschnitten bewirken.
In ähnlicher Art und Weise kann die Axialbewegung des Trägerabschnitts 418 längs der Y-Achse der Einrichtung mittels der Wandler 431 und 433 bewerkstelligt werden, welche Beuge- oder Biegebewegungen in den entsprechenden J-förmigen Abschnitten bewirken, die für den Wandler 431 aus den Abschnitten 412, 414 und 416 bestehen, und für den Wandler 433 aus den Abschnitten 422, 424 und 426. Die Lateralbewegung des Abschnitts 418 wird mittels der Wandler 430 und 432 gesteuert bzw. geregelt.
Alle diese Wandler arbeiten zusammen, um eine sehr präzise Steuerung bzw. Regelung des Orts der von dem Spitzenhalteteil 372 getragenen Spitze vorzusehen, wobei der Grad der Bewegung der Spitze nur durch die Spalte in den kapazitiven Platten der mehreren Wandler be schränkt ist. Es sei bemerkt, daß die sich bewegenden Teile der kapazitiven Platten, die die mehreren Wandler bilden, vorzugsweise aus leitfähigen Abschnitten der Träger 362 und 364 oder von den Trägern getragenen Beschichtungen bestehen. Diese Abschnitte können durch nichtleitende Oxidabschnitte der Träger isoliert sein, wobei Elektroden zum Verbinden der bewegbaren kapazitiven Plattenabschnitte mit einer geeigneten elektronischen Schaltung auf den Trägern vorgesehen sind. Vorzugsweise sind jedoch die Platten, welche aus den Trägern 362 und 364 bestehen, auf dem gleichen Potential, wobei Steuer- bzw. Regelspannungen an die stationären Platten durch ihre entsprechenden Verbindungen angelegt werden.
In einer Form der Erfindung sind die mit dem Wandteil des Substrats verbundenen stationären Platten für jeden der Wandler relativ lang mit Bezug auf die leitfähigen Teile der bewegbaren Träger gemacht, welche die gegenüberliegenden kapazitiven Platten für die entsprechenden Wandler bilden. Demgemäß bleibt die bewegbare Platte, wenn die Träger entweder mechanisch oder durch das Anlegen von Potentialen an ausgewählte Kondensatoren bewegt werden, immer innerhalb der Grenze der stationären Platte, so daß ein voller Bereich der Bewegung oder Detektion der Bewegung vorgesehen wird.
Ein Vorteil der ineinandergreifenden bzw. doppelkammartigen fingerartigen Wandlerstruktur der Einrichtung der Fig. 3 und 4 besteht darin, daß die elektrostatische Kraft, die durch eine solche Struktur vorgesehen wird, überall in dem Bewegungsbereich der Einrichtung konstant bleibt. Bei den parallelen Platten der in Fig. 14 veranschaulichten Wandler variiert jedoch die Kraft, welche durch die erregten Kondensatoren angewandt wird, mit der Bewegung des Trägers. Da die Kraft umgekehrt proportional dem Quadrat des Spalts zwischen den Platten ist, nimmt sie zu, wenn der Spalt kleiner wird. Dieses ist für die in Fig. 14 dargestellte Konstruktion vorteilhaft, da die sich ändernde Kraft, die durch den Kondensator ausgeübt wird, den sich ändernden Widerstand gegen die Bewegung der J-förmigen Trägerabschnitte anpasst, welche die Federwirkung für den Träger vorsehen. Je mehr die Federn aus ihrer normalen Form herausbewegt werden, umso größer ist die Kraft, die zum Bewegen des Trägers erforderlich ist. Jedoch wird dieses Erfordernis durch die zunehmende Kraft angepaßt, die durch die Kondensatoren vorgesehen wird, so daß die Struktur der Fig. 14 vorteilhaft ist.
Obwohl die in den vorstehenden Ausführungsformen veranschaulichten Strukturen entweder einen einzelnen Träger oder ein Paar Träger benutzen, um eine Relativbewegung zwischen benachbarten Spitzenpaaren bzw. zwischen zwei benachbarten Spitzen vorzusehen, sind auch andere Strukturen unter Benutzung der Techniken der Erfindung möglich. Z. B. können mehrfache Träger vorgesehen sein, um mehrfache Spitzenpaare in der Art und Weise zu halten bzw. zu tragen, die in Fig. 15 durch die generell mit 460 bezeichnete Trägerstruktur veranschaulicht ist. In diesem Beispiel kann ein X-Achsenträger 462 irgendeine gewünschte Länge haben, und er schneidet eine Mehrzahl von Y-Achsenträgern, wie die Träger 464, 466, 468 und 470. Die X- und Y-Achsenträger sind an ihren jeweiligen Zwischenabschnitten bzw. Schnittstellen 472 bzw. 474 bzw. 476 bzw. 478 miteinander verbunden, und ein Paar von vertikalen, ge genüberliegenden, selbstabgefluchteten konischen oder keilförmigen Spitzen kann an jedem dieser Zwischenabschnitte bzw. an jeder dieser Schnittstellen, z. B. unter Benutzung des Herstellungsverfahrens ausgebildet sein, das oben mit Bezug auf die Fig. 2 beschrieben ist.
Obwohl die Beschreibung auf die Bildung von Siliciumträgern mit Siliciumoxid, das elektrisch isolierende Teile nahe den Enden der Träger vorsieht, gerichtet worden ist, veranschaulicht Fig. 15, daß solche Oxidteile an jedem gewünschten Ort längs des Trägers ausgebildet werden können. Demgemäß weist z. B. der Träger einen Siliciumoxidabschnitt 480 am rechten Ende des Trägers 462 auf, wo der Träger mit der Wand der Ausnehmung verbunden ist, in welcher er ausgebildet ist, oder wo der auf einer Oxidbasis (nicht gezeigt) angebracht ist, oder beides. Eine elektrisch leitfähige Elektrode 482 ist so gezeigt, daß sie über dem Oxidabschnitt 480 ausgebildet ist und sich auf einen isolierenden Oxidteil 484 auf dem umgebenden Substrat erstreckt, wie bei 486 dargestellt ist, und zwar in der Art und Weise, die oben mit Bezug auf die Fig. 3 und 4 beschrieben worden ist.
Der Träger 462 enthält einen ersten Federteil 488, der ähnlich den in Fig. 3 veranschaulichten Federn ist, und er kann außerdem zusätzliche Federabschnitte, wie jene, die bei 490 und 492 dargestellt sind, an unterschiedlichen Orten entlang der Länge des Trägers aufweisen. Diese zusätzlichen Federn können vorgesehen sein, um z. B. eine gewünschte Freiheit der Axialbewegung in dem Träger zu erzeugen, und sie sind hier als aus unterschiedlichen Materialien bestehend veranschaulicht, um die Vielseitigkeit des Verfahrens der vorliegenden Erfindung zu demonstrieren. Demgemäß kann z. B. die Feder 490 während des gleichen Verfahrens, mit welchem der Rest des Trägers ausgebildet wird, aus Siliciumoxid ausgebildet werden. Der Federabschnitt 492 kann z. B. aus Siliciumnitrid ausgebildet werden, um in dem Träger 462 gewünschte mechanische und elektrische Eigenschaften vorzusehen. Siliciumoxid (SiO&sub2;) kann auch dazu benutzt werden, elektrisch isolierende Abschnitte des Trägers, wie den Abschnitt 494, auszubilden, und Siliciumnitrid (Si&sub3;N&sub4;) kann entsprechend dazu benutzt werden, solche Abschnitte wie den Abschnitt 496 des Trägers auszubilden. Das Verfahren zum Ausbilden der verschiedenen Oxid- und Nitridabschnitte des Trägers 462 ist in tabellarischer Form in Fig. 16 veranschaulicht, worauf nun Bezug genommen wird. Das Verfahren der Fig. 16 umfaßt 12 Schritte, die sieben Masken beinhalten, welche die verschiedenen Strukturen erzeugen, die in den sechs Querschnittsbereichen dargestellt sind, welche in Fig. 15 bis 1-1', 2-2', 3-3', 4-4', 5-5' und 6-6' veranschaulicht sind. Die Schritte 1 bis 4 des Verfahrens zum Herstellen der Einrichtung der Fig. 15 sind in Fig. 2 dargestellt und sind identisch mit den Schritten 1 bis 4 jener Figur für alle sechs Querschnittsbereiche. Demgemäß wird während der ersten vier Schritte eine Siliciumwafer mit einer dielektrischen Schicht 40 beschichtet, die Siliciumnitrid umfaßt bzw. enthält, welche dann mittels der Maske 1 gemustert wird, um eine Maskierungsschicht 42 vorzusehen. Im Schritt 2 wird das Maskenmuster mittels reaktiver Ionenätzung der dielektrischen Schicht 40 auf das darunterliegende Silicium 18 übertragen, so daß die Insel (oder die Tafel bzw. die Mesa) 45 gebildet wird. Im Schritt 3 wird die Siliciumwafer mit einer zweiten dielektrischen Schicht beschichtet, die Si liciumnitrid umfaßt bzw. enthält, welche anisotrop zurückgeätzt wird, so daß nur die Seitenwand 48 und die obere dielektrische Schicht 40 intakt bleiben. Im Schritt 4 wird ein isotropes Vertiefungsätzen ausgeführt, um das freiliegende Silicium zum Erzeugen von Ausnehmungen 50 um die Insel herum zurückzuätzen, so daß die Insel 45 mit ihren von der Siliciumnitridschicht 48 bedeckten Seitenwänden und ihrer von der dielektrischen Schicht 40 bedeckten oberen Oberfläche zurückbleibt.
Es sei nun zu Fig. 16 übergegangen, worin Elemente, die mit Fig. 2 gemeinsam sind, gleichartig numerisiert sind; im Schritt 5 werden ausgewählte Teile der dielektrischen Schicht 40 unter Verwendung der Maske Nr. 2 abgestreift, wodurch die Insel 45 in den Querschnittsbereichen 1-1', 2-2', 3-3' und 5-5' intakt bleibt, jedoch die Oxid- und Nitridschicht von der Insel 45 in den Querschnittsbereichen 4-4' und 6-6' entfernt wird. Diese letzteren beiden Bereiche werden abgestreift, um für eine elektrische Isolation von benachbarten Teilen des Trägers 462 zu sorgen.
Im Schritt 6 der Fig. 16 wird die obere Oberfläche 46 der Wafer 18 oxidiert, um die mit Bezug auf Fig. 2 beschriebene Oxidschicht 54 zu erzeugen. Diese Oxidschicht erstreckt sich in die Ausnehmung 50 und demgemäß seitlich unter die Insel 45 in jedem der Querschnitte der Fig. 16, so daß sie die Siliciuminsel 45 von dem Substrat 18 isoliert. Gleichzeitig wird die Insel 45 in den Querschnitten 4-4' und 6-6', wo sie ungeschützt war, völlig oxidiert.
Gemäß dem Verfahren der Fig. 16 wird im Schritt 6a eine Siliciumnitridschicht über der gesamten Oberfläche abgelagert, und sie wird dann isotrop zurückgeätzt, wobei nur der Seitenwandteil intakt bleibt, wie im Querschnitt 4-4' und im Querschnitt 6-6' dargestellt ist. Dieses sieht eine Seitenwandschicht 500 in diesen Querschnitten vor, die ähnlich bzw. gleichartig der Schicht 48 in den anderen Querschnitten ist. Im Schritt 7 werden durch die Verwendung der Maske Nr. 3 ausgewählte Teile der dielektrischen Schicht 40 aus Gründen des elektrischen Kontakts abgestreift, wie im Querschnitt 3-3' veranschaulicht ist, wobei die obere Oberfläche 502 der Siliciuminsel 45 freigelegt zurückgelassen wird.
Eine leitfähige Materialschicht wird dann durch die Maske Nr. 4 (Schritt 8) zum Erzeugen der elektrischen Kontakte 482, die in Fig. 15 dargestellt sind, in den Bereichen der Querschnitte 3-3' und 4-4' abgelagert. Es sei bemerkt, daß der elektrische Kontakt auf der oberen Oberfläche 502 im Querschnitt 3-3' ausgebildet wird, so daß er elektrisch mit dem Siliciummaterial der Insel 45 verbunden ist, während der Kontakt im Querschnitt 4-4' auf der oberen Oberfläche des oxidierten Abschnitts der Insel 45 liegt. Dieses ermöglicht es, elektrische Verbindungen mit Abschnitten der Trägerstruktur herzustellen, die elektrisch isoliert sind.
Im Schritt 9 werden ausgewählte Teile der Feldoxidschicht 54 isotrop weggeätzt, um die Insel 45 unter der Kontrolle der Maske Nr. 5 freizusetzen. Demgemäß wird das Oxid in den Bereichen 504, 506, 508 und 510 weggeätzt, um die Insel 45 von dem Substrat 18 in den Querschnitten 1-1', 2-2', S-5' und 6-6' freizusetzen, so daß dadurch der Träger 462 gebildet wird. Es sei bemerkt, daß das freigelegte Oxid der Insel 45 im Querschnitt 6-6' auch während des Entfernens von Teilen der Schicht 54 weggeätzt wird, so daß nur die Nitridseitenwände 500 an jenem Ort übrigbleiben. Diese Seitenwände sind genügend dick und flexibel, um den Träger 462 zu halten. Die Maske Nr. 5 läßt die dielektrische Schicht 40 in den Querschnitten 1-1', 2-2' und 5-5' intakt, während die Elektrode 482 das Oxid in den Querschnitten 3-3' und 4-4' schützt.
Im Schritt 10 der Fig. 16 werden dielektrische Schichten, die Siliciumnitrid umfassen bzw. enthalten, abgelagert, und sie werden dann durch die Verwendung der Maske Nr. 6 zurückgeätzt, so daß eine maskierende Nitridschicht S 12 auf der Oberfläche des Substrats 18 in den Querschnittsbereichen 1-1', 2-2' und 6-6' übrigbleibt, wobei eine Nitridschicht 514 auf den nach abwärts gerichteten Oberflächen der Siliciuminsel 45 (nun Träger 462) in den Querschnitten 1-1' und 2-2' übriggelassen wird, sowie eine dielektrische Nitridschicht 516 über dem elektrischen Kontakt 482 in den Bereiche der Querschnitte 3-3' und 4-4' übriggelassen wird. Die Insel 45 wird durch die Maske 6 im Querschnitt 5-5' ungeschützt gelassen, so daß das Auen der während des Schritts 10 hinzugefügten Schicht auch die dielektrische Schicht 40 und die Nitridseitenwand 48 von der Insel im Querschnitt 5-5' entfernt. Dieses läßt das Siliciummaterial der Insel 45 im Querschnitt 5-5' für eine spätere thermische Oxidation freiliegend.
Im Schritt 11 der Fig. 16 wird eine selektive thermische Oxidation des Silicium auf den ungeschützten Abschnitten der Insel 45, wie im Querschnitt 5-5', ausgeführt, um das freigelegte Silicium in Siliciumoxid umzuwandeln, wie bei 518 gezeigt ist. Gleichzeitig wird die freigelegte obere Oberfläche des Substrats 18 auch an dem gleichen Ort oxidiert, wie bei 520 gezeigt ist.
Schließlich werden im Schritt 12 ausgewählte Teile der dielektrischen Schichten 512, 514 und 516 des Schritts 10 durch die Verwendung der Maske Nr. 7 entfernt, so daß dadurch die Trägerstruktur 462 vollendet wird, die in Fig. 15 dargestellt ist, worin sich die verschiedenen Inselquerschnitte 45 zur Ausbildung der Trägerstruktur vereinigen. Es ist zu bemerken, daß im Querschnitt 5-5' der Träger Siliciumoxid ist, und im Querschnitt 6-6' ist der Träger Siliciumnitrid in der Form der Seitenwände 500.
Wie vorher beschrieben, sind die verschiedenen Trägerstrukturen, wenn sie mechanisch von dem Substrat isoliert sind, frei, sich nicht nur horizontal in einer X-Y-Ebene, sondern auch vertikal in vier Z-Richtung zu bewegen. Die Vertikalbewegung kann durch geeignete Kapazitäten zwischen dem Träger und einer darüberliegenden oder einer darunterliegenden Struktur gesteuert bzw. geregelt oder abgefühlt werden. Eine solche Steuer- bzw. Regeleinrichtung/ein solcher Sensor ist in Fig. 17 veranschaulicht, worin ein Teil einer Struktur, wie z. B. der Träger 462, bei 530 im Querschnitt veranschaulicht ist. In diesem Querschnitt ist der Träger Silicium und mittels einer Schicht 532 aus einem dielektrischen Isolationsmaterial bedeckt. Diese Schicht kann z. B. aus einer oberen Schicht 40 und einer Seitenwandschicht 48 aus dielektrischem Material bestehen, derart, wie jene, die im Querschnitt 2-2' in Fig. 16, Schritt 12 dargestellt ist. Ein Beispiel einer Struktur zum Erzeugen oder zum Abfühlen einer Vertikal- oder Z-Achsenbewegung an diesem Ort sind elektrisch leitfähige Schichten 534 und 535, die, wie mittels Verdampfung, auf der oberen Oberfläche des Siliciumsubstrats 18 und auf den Oberflächen des Trägers im Abschnitt 530 abgelagert sind, wobei sie die dielektrische Schicht 532 bedecken. Danach wird eine dicke Schicht 536 aus Siliciumoxid über dem Träger und auf dem Substrat 18 in dem Bereich des Abschnitts 530 abgelagert, und dann wird eine zweite Schicht 538 aus elektrisch leitfähigem Material, wie durch Verdampfung, auf der Oberseite des Siliciumoxids abgelagert. Danach wird die Siliciumoxidschicht 536 mit einem Muster versehen, und es werden Teile weggeätzt, um den Trägerabschnitt 530 freizusetzen, wobei Träger- bzw. Haltewände auf jeder Seite des Trägers zurückbleiben und die leitfähige Schicht 538, welche den Träger überspannt und im Abstand über der leitfähigen Schicht 535 angeordnet ist, übrigbleibt. Durch Anlegen eines Potentials zwischen den leitfähigen Schichten 534 und 535 oder zwischen den leitfähigen Schichten 535 und 538 kann eine Vertikalbewegung des Trägers bewerkstelligt oder detektiert werden.
Eine Anwendung der vorstehenden Strukturen und Herstellungstechniken ist in Fig. 18 dargestellt, worin eine Trägerstruktur 550, die eine nach aufwärts gewandte Spitze 552 enthält, in einem Rasterelektronenmikroskop verwendet wird. Die Trägerstruktur 550 ist vorzugsweise gleichartig bzw. ähnlich jener, welche in Fig. 11, Schritt 5 veranschaulicht ist, und wird in ähnlicher bzw. gleichartiger Weise hergestellt. Der Träger 550 und seine Substratsiliciumschicht 554 wird dann mit einer Oxidschicht 556 in der mit Bezug auf Fig. 17 beschriebenen Art und Weise bedeckt, und es wird eine leitfähige Schicht 558 auf die obere Oberfläche der Oxidschicht aufgedampft. Die leitfähige Schicht wird mit einem Muster versehen, um eine Öffnung 560 in der leitfähigen Schicht zu erzeugen, wobei ihre Achse coaxial mit der Spitze 552 ist. Danach wird die Oxidschicht 564 mit einem Muster versehen, und es werden Teile entfernt, um den Träger 550 freizusetzen, während Oxidseitenwandträger bzw. -halter 562 und 564 zum Halten der leitfähigen Schicht 558 an Ort und Stelle zurückgelassen werden. Der elektrisch leitfähige Träger 550 ermöglicht es, daß ein Strom durch die Öffnung 560 zwischen der Submikronspitze 552 und einem Probenmaterial 566, das sich auf der gegenüber dem Ort der Spitze entgegengesetzten Seite der Öffnung befindet, fließt. Der Träger 550 und demgemäß die Spitze 552 sind in der hier beschriebenen Art und Weise bewegbar, um die Spitze zu befähigen, die Oberfläche der Probe abzutasten, wobei der Stromfluß zum Bestimmen von Charakteristika bzw. Eigenschaften der Proben meßbar ist.
Eine andere Anwendung der nach aufwärts gewandten Spitzenstruktur, die mittels der Technik der Fig. 11 hergestellt ist, ist in Fig. 19 veranschaulicht, worin ein Träger 570 ein Paar von gegenüberliegenden, selbstabgefluchteten Tunnelungsspitzen 572 aufweist, die zwischen dem Träger und einem Substrat 574 ausgebildet sind und eine nach aufwärts gewandte Spitze 576 aufweist. In dieser Ausführungsform ist die obere Oberfläche des Trägers 570 mit einem dünnen elektrisch isolierenden Film 578 bedeckt. Die obere Spitze 576 wird nahe der Oberfläche einer Probe 580 plaziert, so daß die Einrichtung als ein Atomkraftmikroskop wirkt, wobei der Tunnelstrom Charakteristika bzw. Eigenschaften der Probe 580 angibt.
Eine Verwendung für laterale selbstabgefluchtete gegenüberliegende Spitzen, die in der Form von konischen oder keilförmigen Spitzen sein können, ist in Fig. 20 veranschaulicht. Ein Paar 590 von lateral gegenüberliegenden, freigesetzten, selbstabgefluchteten konischen oder keilförmigen Spitzen wird in einer Art und Weise, wie jene, die in den Fig. 7 bis 9 veranschaulicht ist, hergestellt. Das Paar enthält eine erste Bezugsspitze 592 und eine zweite, relativ bewegbare Spitze 594. Die Spitze 594 ist integral mit einem Halteträger 596 ausgebildet, welcher als generell U-förmig dargestellt ist, und zwar mit einer Basis 598 und einem Paar von Schenkeln 600 und 602, die senkrecht dazu sind. Der Halteträger ist durch ein Paar Federn 604 und 606, die in den Schenkeln 600 bzw. 602 lokalisiert sind, mit einer stationären Halterung 608 verbunden, welche z. B. die Wand einer Ausnehmung in einem Substrat sein kann. Die Bezugsspitze 592 kann auch auf der stationären Halterung 608 lokalisiert sein, so daß sie relativ stationär mit Bezug auf die Spitze 594 ist und als ein Fixpunkt für die bewegbare Spitze wirkt. Eine Steuer- bzw. Regeleinrichtung, wie ein Kondensator 610, der eine auf dem Träger 596 ausgebildete Platte 612 und eine zweite, stationäre Platte 614, die von der Platte 612 beabstandet ist, hat, ist zum Positionieren des Trägers 596 vorgesehen, um einen Spalt zwischen den Spitzen 592 und 594 herzustellen. Danach kann eine Relativbewegung zwischen der Bezugsspitze 592 und der bewegbaren Spitze 594 durch Beschleunigung der Bezugsspitze bewirkt werden.
Eine perspektivische Ansicht einer Übereinanderschichtung von Spitzen, wie jene, die im Schritt 5 der Fig. 12 dargestellt sind, ist in Fig. 21 veranschaulicht, auf die nun Bezug genommen wird. Die Spitzen der Fig. 21 sind an den Schnittstellen von gekreuzten Trägern lokalisiert, wie es jene sind, die in Fig. 4 veranschaulicht sind, obwohl in diesem Falle parallele Träger, die vertikal übereinandergeschichtet sind, eine Mehrzahl von Schnittstellen in vertikaler Fluchtung vorsehen. Demgemäß schneiden sich die untersten gekreuzten Träger 640 und 642 bei 644, so daß sie einen gekreuzten Spitzenhalteabschnitt bilden, der im Abstand über einem Substratboden 646 angeordnet und parallel zu dem Substratboden 646 gehalten ist. Ein erstes Paar 648 von gegenüberliegenden, selbstabgefluchteten Spitzen, nämlich einer oberen und unteren Spitze 650 bzw. 652, wird während der Bildung der Träger 640 und 642 hergestellt, wie oben erörtert worden ist, wobei die untere Spitze 652 stationär ist und als ein Fixpunkt zum Lokalisieren der oberen Spitze 650 dient. Wie es in Fig. 4 der Fall war, läßt die Herstellung des Spitzenpaars 648 Rippen 654 und 656 auf dem Boden 646 parallel zu den und im Abstand unter den Trägern 640 bzw. 642 zurück, wobei die unteren Ränder der Träger außerdem sich verjüngend ausgebildet sind, wie bei 658 und 660. Die sich verjüngenden Ränder 658 und 660 sind parallel zu und fluchtend mit den Rippen 654 und 656, da sie zur gleichen Zeit während der Trennung der Träger 640 und 642 von dem Substrat ausgebildet sind.
Wie in Fig. 12 veranschaulicht ist, ist es so, daß zur gleichen Zeit das untere Spitzenpaar 648 hergestellt wird, sowie ein oberes Spitzenpaar 670 und eine obere Spitze 672 an der Schnittstelle 674 eines Paars von gekreuzten Trägern 676 und 678 ausgebildet werden. Das obere Spitzenpaar 670 besteht aus den vertikalen, gegenüberliegenden, selbstabgefluchteten Spitzen 680 und 682, der oberen und unteren Spitze, welche mit dem unteren Spitzenpaar 648 abgefluchtet sind. Die oberste, nach aufwärts gewandte Spitze 672 ist auch mit dem unteren Spitzen paar 648 und mit dem zwischenliegenden Spitzenpaar 670 abgefluchtet, und wird so hergestellt, wie in Fig. 12 dargestellt ist.
Die gegenüberliegenden Spitzenpaare 648 und 670 können axial miteinander abgefluchtet sein, oder sie können relativ in der X-Y-Ebene bewegt werden, wie auch in der senkrechten Richtung (Z-Richtung), und zwar mittels geeigneter Wandler, wie z. B. jenen, die in Fig. 14 dargestellt sind. Wie oben erörtert wurde, kann die Bewegung dieser Spitzen mit Bezug aufeinander außerdem mit einem hohen Grad an Präzision mittels der Wandler oder durch Messen des Abstands zwischen den Spitzen detektiert werden. Die letztere Messung kann ausgeführt werden, indem man die Tunnelströme zwischen benachbarten Spitzen bestimmt, oder durch Messen ihrer Kapazität oder Potentialdifferenz.
Wenn es gewünscht wird, kann es beim Herstellen der parallelen Träger wünschenswert sein, die Träger 640 und 676 mechanisch zu verbinden und/oder die Träger 642 und 678 mechanisch zu verbinden, so daß die Spitzen im Paar 670 in der X-Y-Ebene mit Bezug aufeinander ortsfest werden. Die Träger bleiben in der Vertikalrichtung zwischen den Punkten der mechanischen Verbindung flexibel, so daß sich die Spitzen 680 und 682 näher zusammen oder weiter auseinander bewegen können. Diese Spitzen dienen dann als Tunnelungsspitzen, um Bewegung längs der Vertikalachse zu detektieren. Solche mechanischen Verbindungen sind bei 690 und 692 in strichpunktierten Linien zwischen den Trägern 642 und 678 sowie bei 694 und 696 zwischen den Trägern 640 und 676 gezeigt und werden durch selektives Entfernen der Oxidationsschicht 264 (siehe Fig. 12, Schritt 4) von zwischen den Trägern, wobei Oxidverbindungen an Ort und Stelle übrigbleiben, ausgebildet.
Die oberste Spitze 672 funktioniert als eine Sondenspitze, und sie ist sowohl lateral in der X-Y-Ebene als auch vertikal bewegbar, um z. B. als ein Atomkraftmikroskop zu dienen. Das unterste Paar von Spitzen 648 dient dazu, beide Sätze von Trägern in der X-Y-Ebene mit Bezug auf die Fixpunktspitze 652 zu lokalisieren, wenn die Träger mechanisch verbunden werden, während der Abstand zwischen den Spitzenpaaren die Vertikalbewegung (Z-Richtung) mißt.
Obwohl die vorliegende Erfindung bezüglich bevorzugter Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist es ersichtlich, daß zahlreiche Abwandlungen und Variationen ausgeführt werden können. Die konischen Spitzen und keilartigen Spitzen der vorliegenden Erfindung können sowohl in vertikalen als auch in horizontalen Fluchtungen auf Silicium-auf-Isolator-Wafern, dünnen Siliciummembranen oder anderen Siliciumsubstraten, einschließlich amorphen Siliciumfilmen und Polysiliciumfilmen, die auf Isolatoren abgelagert sind, ausgebildet werden, und die oben beschriebenen Verfahren können leicht angepaßt werden, um eine Dotierung der Materialien unter Verwendung von jeder gewünschten Art von Dotierungsmittel in jeder Dotierungskonzentration zu gestatten. Es ist außerdem ersichtlich, daß dort, wo die bewegbaren Siliciumträger der vorliegenden Erfindung auf dünnen Siliciummembranen ausgebildet werden, der untere Boden 90 (Fig. 4) genügend dünn gemacht werden kann, so daß er flexibel ist, um dadurch bewegliche untere Spitzen zu erhalten. Weiter kann die obere Insel von dem Paar abgefluchteter Spitzen entfernt werden, um nur eine einzige untere Spitzen-/Keilstruktur zurückzulassen. Es ist auch möglich, die untere Spitze, wie die Spitze 12 in Fig. 4, zu entfernen, um eine Öffnung durch den Boden 90 zu erzeugen, durch welche Elektronen aus der oberen Spitze fließen können, oder die einander schneidenden Träger der Fig. 4 zu benutzen, um die obere Spitze elektrisch zu spezifizierten Orten zu bewegen. Es ist weiter möglich, Elemente, wie Tunneldioden, Feldemitter, p-n-Dioden oder dergleichen auf einer bewegbaren Spitze zu lokalisieren.
Das Verfahren kann auch dazu benutzt werden, Pfeiler bzw. Ständer bzw. Stützen wie auch Träger zu erzeugen, und darüberhinaus durch Oxidieren von ausgewählten Orten von solchen Pfeilern bzw. Stützen bzw. Säulen und Trägern können Segmente bzw. Abschnitte der Strukturen elektrisch voneinander isoliert werden.

Claims

1. Submikronspitzenstruktur (10), umfassend eine erste und zweite beabstandete bzw. getrennte Oberfläche (14, 24), eine erste und zweite gegenüberliegende Spitze (12, 22) auf der ersten bzw. zweiten Oberfläche (14, 24), wobei jede Spitze (12, 22) einen Endteil mit wenigstens einer Dimension im Nanometergrößenbereich bis zu maximal 100 nm hat, wobei die Spitzen (12, 22) zum Begrenzen eines Spalts beabstandet bzw. getrennt sind.

2. Spitzenstruktur nach Anspruch 1, wobei die Spitzen (12, 22) generell konisch sind und sich nach einwärts bis zu einem Minimumdurchmesser in dem genannten Nanometergrößenbereich verjüngen.

3. Spitzenstruktur nach Anspruch 1, worin die beabstandeten bzw. getrennten Oberflächen (14, 24) und Spitzen (12, 22) auf einem Siliciumchip integriert sind, der ein Substrat (18) bildet.

4. Spitzenstruktur nach Anspruch 3, weiter umfassend ein Kondensatormittel, das integral mit den beabstandeten bzw. getrennten Oberflächen (14, 24) und einem Substrat (18) zum Abfühlen und Steuern bzw. Regeln der Bewegung von einer der Spitzen (12, 22) ausgebildet ist.

5. Spitzenstruktur nach Anspruch 3, worin das Substrat (18), die beabstandeten bzw. getrennten Oberflächen (14, 24) und die Spitzen (12, 22) Einkristallsilicium sind.

6. Spitzenstruktur nach Anspruch 3, worin das Substrat (18) eine Ausnehmung (16) aufweist, die eine Umfangswand (26) und einen generell planaren Bodenteil hat, und worin eine erste der beabstandeten bzw. getrennten Oberflächen (14, 24) integral mit der Umfangswand (26) ist.

7. Spitzenstruktur nach Anspruch 6, worin die erste beabstandete bzw. getrennte Oberfläche einen freitragenden bzw. eingespannten Träger (24) umfaßt, der sich in die Ausnehmung (16) parallel zu dem Boden (14) erstreckt, und worin die erste Spitze (22) auf einer unteren Oberfläche des Trägers (24) angebracht ist und die zweite Spitze (12) auf dem Bodenteil (14) angebracht ist, wobei der Spalt zwischen den gegenüberliegenden Spitzen (12, 22) genügend klein ist, um Stromtunnelung bzw. einen Tunnelstrom dazwischen zu ermöglichen.

8. Spitzenstruktur nach Anspruch 7, worin der Träger (24) genügend flexibel ist, um eine Relativbewegung zwischen den Spitzen (12, 22) zuzulassen.

9. Spitzenstruktur nach Anspruch 1, weiter umfassend ein Mittel (36) zum Zuführen von elektrischem Strom zu wenigstens einer der Spitzen (12, 22).

10. Spitzenstruktur nach Anspruch 1, worin eine der beabstandeten bzw. getrennten Oberflächen (14, 24) einen Träger (24) umfaßt, der mit Bezug auf die andere der beabstandeten bzw. getrennten Oberflächen (14) beweglich ist, um eine Relativbewegung zwischen der ersten und zweiten Spitze (12, 22) vorzusehen.

11. Spitzenstruktur nach Anspruch 1, worin sich jede Spitze (12, 22) verjüngt und einen Minimumdurchmesser im Nanometerbereich hat.

12. Spitzenstruktur nach Anspruch 1, worin jede Spitze (12, 22) konisch ist und eine Achse hat, die durch ein Abschlußende derselben hindurchgeht, wobei die Spitzen (12, 22) coaxial sind, wobei ihre jeweiligen Abschlußenden durch den Spalt beabstandet bzw. getrennt sind.

13. Spitzenstruktur nach Anspruch 1, weiter umfassend ein Mittel zum Anbringen der Spitzen (12, 22) für eine Relativbewegung.

14. Spitzenstruktur nach Anspruch 1, weiter umfassend ein Mittel zum Anwenden eines Potentials zwischen den Spitzen (12, 22) und ein auf Änderungen in dem Potential ansprechendes Schaltungsmittel (36), das mit wenigstens einer der Spitzen (12, 22) verbunden ist.

15. Spitzenstruktur nach Anspruch 1, worin jede Spitze (12, 22) ein Abschlußende hat, das in einem einzelnen Atom endet.

16. Spitzenstruktur nach Anspruch 1, worin der Spalt in der Größenordnung von wenigen Ångstrom ist.

17. Spitzenstruktur nach Anspruch 1, weiter umfassend ein Mittel (36), das mit den Spitzen (12, 22) verbunden ist, um einen Tunnelstrom in der Größenordnung von Picoamperes dazwischen zu erzeugen.

18. Spitzenstruktur nach Anspruch 1, weiter umfassend ein Mittel (36) zum Messen der Kapazität zwischen den Spitzen (12, 22).

19. Spitzenstruktur nach Anspruch 1, worin die erste und zweite Spitze (12, 22) integral mit jeweils einer aus Spitzen der ersten und zweiten Oberfläche (14, 24) sind, und worin die Spitzenendteile abgefluchtete Abschlußenden haben, die zur Ausbildung eines Spalts getrennt bzw. voneinander beabstandet sind.

20. Spitzenstruktur nach Anspruch 19, worin die erste und zweite beabstandete bzw. getrennte Oberfläche (14, 24) relativ bewegbar sind, um eine Relativbewegung der Spitzen (12, 22) zum Verändern des Spalts vorzusehen.

21. Spitzenstruktur nach Anspruch 20, weiter umfassend ein Mittel (36) zum Abfühlen der Relativbewegung der Spitzen (12, 22).

22. Spitzenstruktur nach Anspruch 21, worin die beiden Spitzen (12, 22) Abschlußenddimensionen im Nanometergrößenbereich haben.

23. Spitzenstruktur nach Anspruch 22, worin die erste Oberfläche (24) einen Spitzenträger bzw. -halter aufweist, der zur Bewegung mit Bezug auf die zweite Oberfläche (14) auf einem Substrat (18) angebracht ist.

24. Spitzenstruktur nach Anspruch 1, worin die erste Oberfläche (14) ein Substrat (18) ist und die zweite Oberfläche (24) ein Träger- bzw. Haltemittel, das sich im Abstand über dem Substrat befindet, und worin die gegenüberliegenden Spitzen (12, 22) selbstabgefluchtet sind, wobei eine der Spitzen (12, 22) integral mit dem Substrat (18) ist und die andere der Spitzen (12, 22) integral mit dem Halte- bzw. Trägermittel ist, wobei die Spitzen (12, 22) zur Ausbildung eines Spalts dazwischen eng beabstandet sind.

25. Spitzenstruktur nach Anspruch 24, worin die Spitzen (12, 22) generell konisch sind und sich nach einwärts auf einen Minimumdurchmesser in dem genannten Nanometergrößenbereich verjüngen.

26. Spitzenstruktur nach Anspruch 24, worin das Träger- bzw. Haltemittel (24) und die Spitzen (12, 22) auf einem Siliciumchip integriert sind, welcher das Substrat (18) bildet.

27. Spitzenstruktur nach Anspruch 24, weiter umfassend ein Kondensatormittel, das integral mit dem Träger- bzw. Haltemittel (24) ausgebildet ist, und wobei das Substrat (18) ein solches für das Abfühlen und Steuern bzw. Regeln der Bewegung von der einen der Spitzen (12, 22) ist.

28. Spitzenstruktur nach Anspruch 24, weiter umfassend ein Mittel (36) zum Zuführen von elektrischem Strom zu wenigstens einer der Spitzen (12, 22).

29. Spitzenstruktur nach Anspruch 24, worin das Substrat (18), das Halte- bzw. Trägermittel (24) und die Spitzen (12, 22) Einkristallsilicium sind.

30. Spitzenstruktur nach Anspruch 1, worin das Träger- bzw. Haltemittel (24) einen Träger umfaßt, welcher mit Bezug auf das Substrat (18) beweglich ist.

31. Spitzenstruktur nach Anspruch 24, worin das Substrat (18) eine Ausnehmung (16) aufweist, die eine Umfangswand (26) und einen generell planaren Bodenteil hat, und worin das Halte- bzw. Trägermittel (24) auf der Umfangswand (16) angebracht und integral mit der Umfangswand (16) ist.

32. Spitzenstruktur nach Anspruch 31, worin das Halte- bzw. Trägermittel (24) einen freitragenden bzw. eingespannten Träger umfaßt, der sich in die Ausnehmung (16) parallel zu dem Boden (14) erstreckt, und worin die eine aus dem Paar von Spitzen (12, 22) auf einer unteren Oberfläche des Trägers (24) angebracht ist und die andere aus dem Paar von Spitzen (12, 22) auf dem Bodenteil (14) ange bracht ist, wobei der Spalt zwischen den gegenüberliegenden Spitzen (12, 22) genügend klein ist, um Stromtunnelung bzw. einen Tunnelstrom dazwischen zuzulassen.

33. Spitzenstruktur nach Anspruch 32, worin der Träger (24) genügend flexibel ist, um eine Relativbewegung zwischen den Spitzen (12, 22) zuzulassen.

34. Spitzenstruktur nach Anspruch 33, weiter umfassend ein Schaltungsmittel (36), das aus Änderungen im Tunnelstrom zwischen den Spitzen (12, 22) zum Detektieren der Bewegung des Trägers (24) anspricht.

35. Spitzenstruktur nach Anspruch 33, weiter umfassend ein zwischen dem Substrat (18) und dem Träger (24) zum Steuern bzw. Regeln der Bewegung des Trägers (24) befestigtes Mittel.

36. Spitzenstruktur nach Anspruch 35, worin das Mittel zum Steuern bzw. Regeln der Bewegung des Trägers (24) ein Kondensatormittel umfaßt, das ein stationäres Plattenmittel hat, welches an dem Substrat (18) befestigt ist, und ein relativ bewegbares Plattenmittel, das an dem Träger befestigt ist.

37. Spitzenstruktur nach Anspruch 24, worin das Träger- bzw. Haltemittel (60) ein Paar sich schneidender Trägersegmente bzw. -abschnitte (62, 64) aufweist, die an dem Substrat (70) angebracht und relativ mit Bezug auf das Substrat (70) bewegbar sind, wobei die eine der Spitzen (12, 22) an der Schnittstelle des Paars von einander schneidenden Trägersegmenten bzw. -abschnitten (62, 64) angebracht ist.

38. Spitzenstruktur nach Anspruch 37, worin jeder Trägerabschnitt aus dem Paar von einander schneidenden Trägerabschnitten in einen entsprechenden Träger aus einem Paar von Trägern (62, 64) inkorporiert ist, wobei jeder ein erstes und zweites Ende hat, und worin jedes Ende von jedem Träger aus dem Paar von Trägern (62, 64) an dem Substrat (70) angebracht und integral mit dem Substrat (70) ist.

39. Spitzenstruktur nach Anspruch 38, worin jeder Träger aus dem Paar von Trägern (62, 64) ein Federmittel (76, 80, 86, 88) zum Ermöglichen einer dreidimensionalen Bewegung der Trägerabschnitte (62, 64) eingebaut bzw. eingefügt hat.

40. Spitzenstruktur nach Anspruch 39, worin das Substrat (70) und die Träger (62, 64), die Trägerabschnitte, die Spitzen (12, 22) und die Federn (76, 80, 86, 88) integral aus Einkristallsilicium ausgebildet sind.

41. Spitzenstruktur nach Anspruch 39, worin das Substrat (70) eine Ausnehmung (68) aufweist, die eine Umfangswand (72) und einen generell planaren Bodenteil (90) hat, und worin die Träger (62, 64) auf der Umfangswand angebracht sind und sich in die Ausnehmung (68) generell parallel zu dem Boden (90) erstrecken.

42. Spitzenstruktur nach Anspruch 41, worin eine aus dem Paar von Spitzen (12, 22) an der Schnittstelle des Paars von Trägerabschnitten (62, 64) angebracht ist, und worin die andere aus dem Paar von Spitzen (12, 22) auf dem Boden (90) angebracht ist, wobei die beiden Spitzen (12, 22) gegenüberliegend und miteinander abgefluchtet sind und einen Spalt dazwischen haben, welcher genügend klein ist, um Tunnelung dazwischen zuzulassen.

43. Spitzenstruktur nach Anspruch 42, worin das Federmittel (76, 80, 86, 88) Federelemente aufweist, die in jedem Träger (62, 64) ausgebildet sind, um eine Bewegung der Träger (62, 64) in einer Ebene parallel zu dem Boden (90) zuzulassen.

44. Spitzenstruktur nach Anspruch 43, weiter umfassend ein Wandlermittel (120 bis 123), das auf jedem Träger aus dem Paar von Trägern (62, 64) zum Steuern bzw. Regeln der Bewegung der Träger (62, 64) angebracht ist.

45. Spitzenstruktur nach Anspruch 43, weiter umfassend ein Wandlermittel (120 bis 123) auf jedem Träger aus dem Paar von Trägern (62, 64) zum Detektieren der Bewegung der Träger (62, 64).

46. Spitzenstruktur nach Anspruch 45, worin jedes Wandlermittel (120 bis 123) ein Kondensatormittel umfaßt, das wenigstens eine erste Platte (124, 125) hat, die auf dem Substrat (70) angebracht ist, und wenigstens ein zweites, relativ bewegbares Plattenmittel (138, 139), das auf seinem entsprechenden Träger (62, 64) angebracht ist.

47. Spitzenstruktur nach Anspruch 46, weiter umfassend ein erstes elektrisches Leitermittel, das mit wenigstens einer der Spitzen (12, 22) verbunden ist.

48. Spitzenstruktur nach Anspruch 47, weiter umfassend ein zweites elektrisches Leitermittel, das mit dem Kondensatormittel (120 bis 123) verbunden ist.

49. Spitzenstruktur nach Anspruch 48, worin jeder aus dem Paar von Trägern (62, 64) Einkristallsilicium umfaßt bzw. enthält, und worin jeder aus dem Paar von Trägern (62, 54) weiter einen elektrisch isolierenden Abschnitt aufweist.

50. Spitzenstruktur nach Anspruch 37, worin das Paar von Trägerabschnitten einer ersten und zweiten linearen Träger (62, 64) umfaßt, wobei der erste Träger längs einer X-Achse liegt und der zweite Träger längs einer Y-Achse liegt, wobei der erste und zweite Träger (62, 64) jeder ein Federmittel (76, 80, 86, 88) zum Vorsehen einer Bewegung längs der X-Achse und der Y-Achse für die eine der Spitzen (12, 22) inkorporiert bzw. eingearbeitet hat.

51. Spitzenstruktur nach Anspruch 50, worin das Federmittel (76, 80, 86, 88) für jeden der Träger (62, 64) eine erste und zweite Axialfeder umfaßt, die sich auf entgegengesetzten Seiten der Schnittstelle befinden.

52. Spitzenstruktur nach Anspruch 37, worin das Paar von Trägerabschnitten in einem ersten und zweiten versetzten Träger (62, 64) inkorporiert ist, wobei der erste versetzte Träger einen ersten, X-Achsenträgerabschnitt aufweist und der zweite versetzte Träger einen zweiten, Y- Achsenträgerabschnitt aufweist.

53. Spitzenstruktur nach Anspruch 52, worin der erste und zweite versetzte Träger (62, 64) zum Vorsehen eines Biegemoments geformt sind, um eine Bewegung der Trägersegmente längs ihrer jeweiligen X- und Y-Achse zuzulassen, wodurch die eine aus dem Paar von Spitzen (12, 22) mit Bezug auf die andere aus dem Paar von Spitzen (12, 22) in einer durch die X- und Y-Achse definierten X-Y-Ebene bewegbar ist.

54. Spitzenstruktur nach Anspruch 53, worin jeder versetzte Träger (62, 64) generell U-förmige Abschnitte aufweist, die zum Vorsehen einer Axial- und Lateralbewegung für seinen entsprechenden Trägerabschnitt biegbar sind.

55. Spitzenstruktur nach Anspruch 24, weiter umfassend ein nach aufwärts gewandtes Spitzenmittel (672), das integral auf dem Träger- bzw. Haltemittel in vertikaler Fluchtung mit dem Paar von gegenüberliegenden Spitzen (680, 682) ausgebildet ist.

56. Spitzenstruktur nach Anspruch 24, weiter umfassend eine Mehrzahl von Paaren von selbstabgefluchteten gegenüberliegenden Abfühlspitzen (650, 652, 680, 682), die integral mit dem Substrat und dem Träger- bzw. Haltemittel ausgebildet sind.

57. Spitzenstruktur nach Anspruch 56, worin das Träger- bzw. Haltemittel ein langgestreckter Träger (640, 642, 676, 678) ist, und worin die Mehrzahl der Paare von Spitzen (650, 652, 680, 682) längs des Trägers beabstandet sind.

58. Spitzenstruktur nach Anspruch 56, worin die Mehrzahl der Paare von Spitzen (650, 652, 680, 682) vertikal übereinandergeschichtet sind.

59. Spitzenstruktur nach Anspruch 58, worin die Spitzen (650, 652, 680, 682) konisch sind und Abschlußenden haben, welche sich auf einen Minimumdurchmesser im Nanometerbereich verjüngen.

60. Spitzenstruktur nach Anspruch 24, worin die Spitzen (650, 652, 680, 682) langgestreckt und keilartig sind und Abschlußenden haben, welche sich auf eine Minimumquerschnittsdimension im Nanometerbereich verjüngen.

61. Spitzenstruktur nach Anspruch 24, weiter umfassend eine Mehrzahl von Spitzen (650, 652, 680, 682), die integral mit dem Träger- bzw. Haltemittel sind, und weiter umfassend ein elektrisch isolierendes Mittel in dem Träger- bzw. Haltemittel zum elektrischen Isolieren von benachbarten Spitzen.

62. Spitzenstruktur nach Anspruch 61, worin das Substrat (646), das Träger- bzw. Haltemittel (640, 642, 676, 678) und die Spitzen (650, 652, 680, 682) Einkristallsilicium sind.

63. Spitzenstruktur nach Anspruch 24, weiter umfassend eine Auftragsschicht auf wenigstens einer aus dem Paar von Spitzen (12, 22).

64. Spitzenstruktur nach Anspruch 24, weiter umfassend einen Magnetfilmauftrag (38) auf dem Träger- bzw. Haltemittel (24) zum Bewegen des Trägers- bzw. Haltemittels mit Bezug auf das Substrat (18).

65. Spitzenstruktur nach Anspruch 24, weiter umfassend einen piezoelektrischen Filmauftrag (38) auf dem Träger- bzw. Haltemittel (24) zum Bewegen des Träger- bzw. Haltemittels mit Bezug auf das Substrat (18).

66. Spitzenstruktur nach Anspruch 24, worin das Träger- bzw. Haltemittel (24) und das Substrat (18) relativ bewegbar sind, worin das Substrat (18), das Träger- bzw. Haltemittel (24) und die Spitzen (12, 22) Einkristallsilicium sind, und worin die Spitzen (12, 22) generell konisch sind und sich auf einen Minimumdurchmesser im Nanometergrößenbereich verjüngen.

67. Spitzenstruktur nach Anspruch 66, weiter umfassend ein Schaltungsmittel auf dem Substrat (28), das mit den Spitzen (12, 22) verbunden ist und auf elektrischen Strom zwischen denselben anspricht.

68. Spitzenstruktur nach Anspruch 24, worin das Träger- bzw. Haltemittel (676, 678) elektrisch leitfähig und aus dem gleichen Material wie das Substrat (646) hergestellt ist, wobei die Struktur weiter folgendes umfaßt:

ein Abtastspitzenmittel (672) auf dem Träger- bzw. Haltemittel (676, 678);

ein Mittel auf dem Substrat (646), das eine Öffnung in Fluchtung mit dem und benachbart zu dem Abtastspitzenmittel (672) definiert bzw. begrenzt; und

ein Mittel, das elektrischen Strom zu wenigstens dem Abtastspitzenmittel (672) zuführt, wobei der Stromfluß durch die genannte Abtastspitze (672) auf Charakteristika bzw. Eigenschaften des Materials benachbart der Öffnung, jedoch auf der Seite der Öffnung, die entgegengesetzt zu dem Ort der Spitze ist, anspricht.

69. Spitzenstruktur nach Anspruch 68, worin die genannte Abtastspitze (672) eine nach aufwärts gewandte Spitze ist, die integral auf einer oberen Oberfläche des Träger -bzw. Haltemittels (676, 678) ausgebildet ist, und worin die Öffnung über der nach aufwärts gewandten Spitze lokalisiert ist.

70. Spitzenstruktur nach Anspruch 69, weiter umfassend einen dünnen isolierenden Film auf dem Spitzenmittel (672).

71. Spitzenstruktur nach Anspruch 68, worin die genannte Abtastspitze (672) auf einer unteren Oberfläche des genannten Trägers bzw. Halters und nach abwärts gewandt ist, und worin die Öffnung in dem Substrat (646) lokalisiert ist.

72. Spitzenstruktur nach Anspruch 68, weiter umfassend ein mit dem Träger- bzw. Haltemittel integrales elektrisches Isolatormittel zum elektrischen Isolieren des genannten Abtastmittels von dem Substrat (646).

73. Spitzenstruktur nach Anspruch 68, worin das Abtastspitzenmittel (672) wenigstens eine einzelne, nach aufwärts gewandte Spitze aufweist, die mit dem Paar von Spitzen (680, 682) fluchtet.

74. Spitzenstruktur nach Anspruch 1, worin die erste Oberfläche ein Substrat (646) ist und die zweite Oberfläche ein erster Träger bzw. Halter (640, 642) ist, der im Abstand über dem Substrat (646) angeordnet ist, wobei die Struktur weiter folgendes aufweist:

wenigstens einen zweiten Träger bzw. Halter (676, 678), der im Abstand über dem ersten Träger bzw. Halter (640, 642) angeordnet ist, wobei der erste und zweite Träger bzw. Halter (640, 642, 676, 678) von dem Substrat (646) isoliert sind und wenigstens ein Träger bzw. Halter mit Bezug auf den bzw. einen anderen Träger bzw. Halter bewegbar ist; und

wenigstens ein Paar von gegenüberliegenden, selbstabgefluchteten Spitzen (680, 682) zwischen benachbarten Trägern bzw. Haltern (640, 642, 676, 678) und beabstandet durch einen Spalt, wobei sich jede aus dem Paar von Spitzen (680, 682) nach einwärts zu einer Minimumdimension in dem Nanometerbereich verjüngt.

75. Spitzenstruktur nach Ansprüch 74, worin wenigstens ein Träger bzw. Halter (640, 642) axial mit Bezug auf den zweiten Träger bzw. Halter (676, 678) bewegbar ist.

76. Spitzenstruktur nach Anspruch 74, worin wenigstens ein Träger bzw. Halter in einer zu der Achse der axial fluchtenden Träger bzw. Halter (640, 642, 676, 678) senkrechten Richtung bewegbar ist.

77. Spitzenstruktur nach Anspruch 74, weiter umfassend eine Mehrzahl von Paaren von axial fluchtenden Trägern bzw. Haltern (640, 642, 676, 678) und eine Mehrzahl von gegenüberliegenden, selbstabgefluchteten Spitzen (680, 682) zwischen benachbarten Paaren von Trägern bzw. Haltern.