EP1527012A2 - Method for producing at least one small opening in a layer on a substrate and components produced according to said method - Google Patents

Method for producing at least one small opening in a layer on a substrate and components produced according to said method

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Publication number
EP1527012A2
EP1527012A2 EP03783954A EP03783954A EP1527012A2 EP 1527012 A2 EP1527012 A2 EP 1527012A2 EP 03783954 A EP03783954 A EP 03783954A EP 03783954 A EP03783954 A EP 03783954A EP 1527012 A2 EP1527012 A2 EP 1527012A2
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EP
European Patent Office
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substrate
layer
etching
opening
openings
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03783954A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Egbert ÖSTERSCHULZE
Rainer Kassing
Georgi Georgiev
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Universitaet Kassel
Original Assignee
Universitaet Kassel
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Filing date
Publication date
Application filed by Universitaet Kassel filed Critical Universitaet Kassel
Publication of EP1527012A2 publication Critical patent/EP1527012A2/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y10T428/24479Structurally defined web or sheet [e.g., overall dimension, etc.] including variation in thickness

Definitions

  • the invention relates to a method for producing at least one small opening in a layer on a substrate, in particular a semiconductor substrate, the substrate being provided on the upper side with at least one tapered depression having a tip section and side walls, the upper side of the substrate at least in the region of the Indentation is covered with a layer of an etchable material and the opening is then produced in the region of the tip section by etching the layer.
  • the openings of interest in the context of the present invention are in particular punctiform or linear openings (apertures) which have diameters or widths in the nanometer range.
  • the achievable resolution is limited here by the geometry and dimensions of the probe, in particular the probe opening, and the distance from the probe to the surface.
  • openings with such dimensions can also, for. B. with particle filters, sieves, permeable membranes, optical spatial filters, ultra-small contacts and layered components and numerous other devices can be used advantageously, for. B. in certain for the production of semiconductor devices etching masks.
  • a silicon substrate is assumed which is provided on its upper side with tapered depressions and a thermally applied silicon dioxide layer.
  • the fact that the silicon dioxide layer has inhomogeneities in the region of the tips of the depressions is exploited for the production of the openings and can be exposed from the back by selective etching of the substrate and then selectively opened by a further etching step.
  • a resulting disadvantage is that the exposed tips having the openings project beyond the underside of the substrate and are therefore unsuitable for applications which essentially require plane-parallel substrates.
  • only opening widths or opening diameters of approximately 150 nm to 200 nm and more have been achievable with this method and only with specific material systems such as B. silicon substrates applicable, which have thermally produced silicon dioxide layers.
  • the invention is based on the technical problem of creating a method of the type described in the introduction with which reproducibly small openings with diameters or widths of approximately 100 nm or less can also be produced in plane-parallel substrates and which can also be used with different material systems ,
  • the method of the type described at the outset is characterized according to the invention in that the opening is produced from the top by means of an anisotropic plasma etching process which is matched to the material of the layer, by selective opening of the layer by the material, the etching gases and the etching parameters are selected so that there is a larger etching rate in the region of the tip section of the depression than on the side walls of the depression.
  • a calibration standard for scanning probe microscopy and a bending beam are also proposed, both of which are provided with openings produced by the method according to the invention.
  • the bending beam is particularly suitable for the production of a micromechanical sensor.
  • the invention is based on the knowledge that, in the case of numerous coatings for substrates of the type of interest here, a pronounced etching rate angular distribution results when the layers are subjected to a plasma etching process from the top.
  • This etching rate angle distribution can not only be a result of the selected coating, but can also be formed locally, for example by B. in the etching process, passivating layers are deposited less strongly on surfaces perpendicular to the plasma than on obliquely standing surfaces. The layer thicknesses of these deposits can depend on the orientation of the surfaces.
  • the electrical potential distribution in the plasma etching process can have the effect that a different etching rate in the region of the tip section than in the region of the Side walls is obtained.
  • etching rate angular distribution All these and other effects and causes for different etching rates are summarized in the context of the present invention under the name "etching rate angular distribution".
  • the invention therefore provides to cover the top of a structured substrate with a layer of suitable composition, morphology and thickness and then to subject it with suitable etching gases and parameters (in particular pressure, temperature etc.) to a plasma etching process which takes advantage of the respective etching rate angle distribution leads to significantly lower etching rates in the area of the side walls than in the area of the tip sections of the depressions. So far, openings with diameters or widths of approximately 90 nm have been obtained.
  • Fig. La to lf schematically different process steps in the application of a first embodiment of the method according to the invention using plan views of a substrate (Fig. La, le) and cross sections through the substrate (Fig. Lb to Id and if);
  • FIG. 2 and 3 are schematic vertical sections through devices for carrying out etching steps when using the method according to FIG. 1;
  • 4a and 4b each show an image of a substrate cross section produced with a scanning electron milcroscope before and after the production of an opening in a layer applied to the substrate when using the method according to FIG. 1;
  • 5a to 5c are images corresponding to FIGS. 4a and 4b, but after deep etching of the substrate using the layer containing the openings as an etching mask on different scales; 6 shows an image obtained with a scanning electron microscope analogous to FIGS. 4 and 5, but with an additional etching edge obtained during deep etching;
  • FIG. 8a and 8b plan views obtained with a scanning electron microscope on a structured substrate provided with an etchable layer before and after the formation of an opening;
  • FIGS. 12a, 12b in views corresponding to FIGS. La to lf show two further exemplary embodiments of the method according to the invention:
  • FIGS. 1 a and 1 b A first exemplary embodiment of the method according to the invention is shown schematically in FIGS.
  • a substrate 1 is structured.
  • the substrate 1 is here in the form of a thin, essentially plane-parallel, single-crystalline silicon wafer which has an upper side 2 oriented as a (001) crystal surface and an underside 3.
  • the structuring produced on the top 2 in the first method step contains at least one tapered depression 6, which has a tip section 4 (apex) and two side walls 5.
  • the depression 6 is produced in that the top 2 is initially masked in a manner known per se is provided, which has a rectangular opening, and then anisotropically etched through this masking opening, for example with an aqueous potassium hydroxide solution (KOH). During this etching process, the side walls 5 are given a (111) orientation, and a depression 6 is formed in the form of a straight, V-shaped one Trench with an opening angle between the side walls 5 of approximately 70.5 °. According to FIGS. 1 a and 1 b, the depression 6 extends over the entire length, but preferably only over part of the width of the substrate 1. B. from a previously applied silicon dioxide (SiO 2 -) or silicon nitride (SiN x -) layer.
  • SiO 2 - silicon dioxide
  • SiN x - silicon nitride
  • the SiO 2 layer 7 can be provided with characteristic inhomogeneities in the region of the convex or concave edges of the trench structure (for example DE 199 26 601 AI) by using oxidation temperatures between approximately 800 ° C.
  • the shape of the recess 6 according to FIGS. 1a and 1b is essentially retained in the coating process described, so that corresponding V-shaped side walls 8 and a tip section 9 are formed on the top of the layer 7.
  • the masking layer used in the previous method step can be removed before the SiO 2 layer 7 is applied, but can also be left to stand.
  • the substrate 1 is now treated from its upper side 2 with a suitable plasma etching process in order to provide the layer 7 in the region of the tip section 9 with a continuous opening 10 (FIGS. 1d and 1e).
  • the plasma etching process is carried out with the aid of a known, capacitively coupled parallel plate reactor, shown schematically in FIG. 2, which has a housing 11 with an upper electrode 12 and a lower electrode 14, on which the substrate 1 is placed becomes.
  • Argon (Ar) with 5 sccm and trifluoromethane (CHF 3 ) with 4.5 sccm are fed to the gas inlet 15.
  • a pressure of approximately 75 mTorr is maintained in the housing 11 via the gas outlet.
  • the plasma 18 which arises during operation of the device according to FIG. 2 leads to a direct bias of the substrate 1 of 250 V.
  • the etching time is 7 min with a thickness of the SiO 2 layer 7 of 300 nm. This results in a slit-shaped opening 10 in the region of the tip section 9 of the layer 7 (FIG. 1c) (up to the tip section 4 of the substrate 1). Fig. Ld and le) with a substantially constant width b (Fig. Le) of approximately 90 nm over the entire length of the recess 6.
  • the SiO 2 layer 7 provided with it is used as an etching mask in a subsequent deep etching step, which serves the purpose of continuing and closing the opening 10 formed in the SiO 2 layer 7 through the substrate 1 extend.
  • a groove-shaped gap or channel 19 in the substrate 1 that is open toward the opening 10 and that has essentially the same width as the opening 10 is obtained.
  • Deep etching is carried out, for example, using an inductively coupled plasma etching device suitable for deep etching of silicon, which is shown schematically in FIG. 3. It contains a housing 20 with a vertically arranged quartz tube 21, which is closed at its upper end, but has a gas inlet 22. The quartz tube 21 is also wrapped with a water-cooled HF winding 23. The lower, open end of the quartz tube 21 is directed towards an electrode 24 on which the substrate 1 to be treated rests. The space enclosed by the quartz tube 21 and the space surrounding the substrate 1 are connected to a high-performance pump via a gas outlet 25 connected. The electrode 24 is also assigned a cooling device (not shown in more detail) in order to keep the substrate 1 at a temperature of, for example, 10 ° C. when the device is operating.
  • a cooling device not shown in more detail
  • argon with approximately 24 sccm, sulfur hexafluoride (SF 6 ) with approximately 18 sccm and oxygen (O 2 ) with approximately 30 sccm are fed in to carry out the etching steps.
  • a pressure of 10 mTorr is set in the housing 21 via the gas outlet 25.
  • the winding 23 is operated at a frequency of 13.56 MHz at 600 W, a direct bias of 127 V being set or being established by the plasma formed.
  • the substrate temperature is kept at 10 ° C. The etching times are approx. 2 minutes.
  • a largely anisotropic deep etching can also be obtained by using a deep etching method known per se, in which successive etching and polymerization steps are carried out alternately.
  • the etching steps serve for section-wise etching of zones of the substrate 1 lying below the opening 10.
  • a polymer is applied to the lateral boundaries of the structure formed in the substrate 1 defined by the opening 10, in order to thereby undercut, as is the case with isotropic Etching would occur to a large extent to avoid.
  • This also results in the method step (FIGS. Le, lf) of the groove-shaped gap or channel 19 in the substrate 1 which is open towards the opening and has essentially the same width as the opening 10.
  • argon with approximately 17.1 sccm, sulfur hexafluoride (SF 6 ) with approximately 35 sccm and oxygen (O 2 ) with approximately 5 sccm are supplied.
  • the winding 23 is operated at a frequency of 13.56 MHz at 550 W, with a DC bias of 96 V being established by the plasma formed.
  • the etching times are approx. 18 s.
  • the other parameters are the same as in the first example.
  • Deep etchings of this type are e.g. B. from German Patent DE 42 41 045 Cl known, which is hereby made to avoid further explanations by reference to them the subject of the present disclosure.
  • the openings 10 or channels 19 obtained with the described method are shown in FIGS. 4, 5 and 6 on the basis of scanning electron microscope images.
  • FIG. 4a shows the opening 10 already formed with a width of 90 nm.
  • FIG. 5 shows, on different scales, two groove-shaped channels 27 produced by the deep-etching step.
  • the SiO 2 layer 7 was in each case completely removed before the scanning electron microscope images were taken, so that only the depression 6 in the substrate 1 is visible. 5c, a channel width of only about 200 nm is obtained even with a considerable channel depth of, for example, 1.5 ⁇ m.
  • FIG. 6 shows that the deep etching step also allows steep steps 28 to be obtained in the silicon substrate 1, which pass along the longitudinal sharp edges 29 into the side walls 5, 8 of the substrate 1 or into the SiO 2 layer 7.
  • the layer 7 located on the upper side of the substrate 1 is also removed by etching, since the etching rate here is similar due to the same orientation Size as the etching rate on the apex.
  • the steps 28 are therefore formed on the sides of the substrate 1.
  • stages 28 can be used to form etching troughs in the silicon wafer and thus, for example, in semiconductor technology for producing three-dimensional field-effect transistors. If steps 28 of this type are to be avoided or are to be formed only at preselected locations, the top of the SiO 2 layer 7 outside the trench structure and before the opening 10 is made must be covered in whole or in part with suitable masks which rule out an etching attack on the silicon substrate 1.
  • the exemplary embodiment according to FIGS. 7 and 8 differs from that according to FIGS. 1 to 6 only in the different shape of the opening and the structures thus produced in the substrate 1.
  • the substrate 1 is initially pointed at its top tapered depression, and then coated with a SiO 2 layer 7, which has a corresponding depression 30 with a tip portion 31 and is delimited by side walls 32 (Fig. 7b).
  • the depression 30 has the shape of an inverse pyramid standing on the tip 31 with a square base, as can be seen from the top view in FIG. 7a.
  • the surface of the silicon substrate 1 is a (001) crystal surface, then all four side walls 32 are oriented after the first etching step (111) has been carried out. Instead of only two sides, the structure produced is therefore limited on four sides.
  • FIG. 7c An opening 33 (FIG. 7c) is formed in the tip section 31 of the depression 30 in the same way as described above with reference to FIG. 1, which completely penetrates the layer 7 or its tip section 31. 7d, the cross section of this opening 33 is essentially square with an edge length of approximately 150 nm. If the SiO 2 layer 7 having the opening 33 is therefore used analogously to FIG. 1 as an etching mask for a final deep etching process, then only a shaft-like pit 34 with a cross section substantially corresponding to the cross section of the opening 33 is formed in the underlying substrate 1 according to FIG. 7e.
  • FIG. 8 shows images of substrates treated according to FIG. 7 made with a scanning electron microscope. In particular, FIG.
  • 8a shows a top view of the thermally applied SiO 2 layer 7 with its depression 30 (FIGS. 7a and 7b), the central tip section 31, the side walls 32 and cut lines 35 appearing shaded by them being recognizable which the side walls 32 adjoin in pairs.
  • 8b shows an illustration in which the SiO 2 layer 7 has already been treated with the aid of the etching step described with reference to FIG. 1, which is anisotropic because of the existing etching rate angle distribution and therefore leads to the opening 34 in the apex region.
  • FIG. 9. 1 and 7 A third embodiment of the invention, which is currently felt to be the best, is shown in FIG. 9. 1 and 7, a silicon substrate 41 is provided on its (001) upper side with a plurality of, for example, matrix-shaped depressions which, depending on requirements, are pyramids or apex trenches which, however, deviate from FIG. 1 are closed at their longitudinal ends by side walls.
  • the silicon substrate 41 was thermally coated with a thin SiO 2 layer 42 (FIG. 9b), so that depressions 43, 44 and 45 covered with SiO 2 and described on the top of the substrate 41 with reference to FIGS. 1 and 7 are available, which have square or rectangular contours depending on the desired structure.
  • the depressions or trenches 44, 45 provided with rectangular cross sections can be arranged with longitudinal axes perpendicular to one another, as clearly shown in FIG. 9a.
  • the side walls (for example 46 in FIG. 9a) which form at the longitudinal ends of the depressions 44, 45 lie, depending on the case, parallel to (111) surfaces of the substrate 41 or not.
  • the upper side of the substrate is subjected to a plasma etching step analogous to FIG. 1b, so that an opening 47 is formed in the tip sections of all the depressions 43, 44 and 45 present, all openings 47 can be generated with the same etching step.
  • the SiO 2 layer 42 produced in this way and provided with the openings 47 is provided in a subsequent deep-etching step with shaft-like pits or channels 48 (FIG. 9d), the 1 to 7 described procedure is applied analogously and therefore analog results are achieved.
  • the substrate 41 is provided with flat upper and lower sides 49, 50 (FIG. 9e), by plasma etching or the like, if appropriate after prior removal of the SiO 2 layer 42 with KOH. z. B. be polished with a chemical mechanical process.
  • the surfaces thus obtained are smooth (flat) and have essentially identical structures.
  • This method step can be carried out regardless of whether the substrate 41 is provided with deep-etching pits or groove-like channels 48 which have closed bottoms 51 (FIG. 9e) or whether the substrate 41 has column-like passages or Slits or gaps 52 are provided which completely penetrate the substrate 41 (Fig. Lf).
  • a particular advantage of the exemplary embodiment according to FIG. 9 is that because of the described etching rate angular distribution, all openings 47 formed in the same substrate 41 and pits / channels 48 or passages / slots 52 produced therewith essentially the same widths b in the nanometer range (Fig. 9d) and are reproducible with small fluctuations in width.
  • the substrate 41 according to FIG. 9f can be used excellently as a calibration standard since, in contrast to known devices (DE 199 26 601 AI), it can be easily provided with flat, smooth upper and lower sides.
  • the principle of such a calibration standard is to provide hole-like or line-like structures with reproducible geometries and an optically opaque but as small as possible substrate.
  • the planarity of the surface must be required so that no topography-related artifacts are obtained in the near-field optical imaging (APL).
  • APL near-field optical imaging
  • FIG. 10a is a substrate 54 with a typical thickness variation TTV (total thickness variation) of approx. 1 to 10 ⁇ m and a plurality of openings 55 in a thermally applied SiO 2 - Layer 56 shown.
  • TTV total thickness variation
  • FIG. 10b an end product according to FIG. 10b would be obtained in which not all openings 56 were exposed at the same time are. Rather, for example, the opening 55a in the middle of FIG. 10b is just exposed, while the left opening 55b is exposed, but forms an undesired tip contour.
  • the opening 55c on the right is finally buried in the substrate 54 and can therefore only be exposed with the aid of a significantly longer etching time compared to the opening 55b, which can result in opening cross sections of different sizes.
  • an end product according to FIG. 10c with passages or slots 58 is obtained, which not only have essentially the same geometries and sizes, but also have no further structures in addition to the passages or slots 58.
  • the substrate 41 according to FIG. 9f is particularly well suited as a calibration standard.
  • it is also advantageous that in FIG. 10c the structures do not protrude differently from the underside of the substrate 54, which would not be acceptable for use as a calibration standard.
  • the opening sizes are largely independent of a thickness variation of the substrate and / or the applied layer 56.
  • a structured substrate which could also consist of a layer system containing several layers, is covered on at least one broad side and at least in the area of the structures with a layer which consists of a suitable, ie a usable etching rate - Angular distribution material or a material composition and is applied in a suitable thickness
  • the word "layer” also includes layer systems which are composed of several individual layers and / or material compositions.
  • the invention assumes that a suitable plasma etching method, in particular a reactive ion etching method, is used to produce the openings 10, 33, in which chemical and physical etching mechanisms are combined.
  • a suitable plasma etching method in particular a reactive ion etching method
  • suitable plasma etching parameters pressure, temperature, coupled power, frequency of the generator, bias voltage, etc.
  • the respective proportion can be strengthened or weakened.
  • the achievable etching rate of the masking layer depends in particular on the orientation of the surface structures and can be adapted by varying the plasma etching parameters mentioned above. It can thus be achieved by adapting the plasma etching process or by varying the surface structure that the etching rate for the masking layer on the side walls (for example 8 in FIG.
  • the apex area according to the invention is selected to be tapered, which also includes depressions in the form of a cone standing on the tip or the like, the openings obtained (for example 10 in FIG. 1) are extremely small and easily reproducible. It is also advantageous that the openings 10, 33, 47 of a large structure (for example Fig. La, Fig. 7a, Fig. 9b) are positively guided, ie self-adjusting at the tapered bottom (line or point) of the respective structure, whereby also the production of arcuate openings would be conceivable.
  • the openings 10, 33, 47 are still produced in the presence of the substrate 1, 41 and the layer 7, 42 therefore with the already existing openings 10, 33, 47 for defining smaller structures in the substrate 1, 41 can be used.
  • pits 34 or slots 52 described, e.g. a further functional layer can be applied to the uppermost layer in order to make extremely small contact with the substrate or with a layer in the layer system that has not yet been etched through through the opening or the deeper etched structure.
  • additional material for reducing the channel, slot or pit cross section could be introduced through a wide variety of deposition processes.
  • this is advantageously done by thermal oxidation, since when a silicon atom is oxidized to form the silicon dioxide molecule, its volume increases by a factor of 2.25 and the clear cross section of the opening can thus be reduced or completely closed. This generally enables the implementation of optical waveguides and other structures in the depth of the silicon structure.
  • FIG. 11a to 1le show such a possibility, starting from the state reached in FIG. 9d.
  • a layer 59 is applied, which also partially fills the pits or channels 52.
  • the substrate 41 is at least partially removed from its rear side by etching (FIG. 1 ld), and in the last step the part of the layer 59 located at the bottom of the pit or the channel 48 is then etched from the rear side, opened (Fig. lle), whereby on the underside of the remaining structure a pipe socket-like approach 60 with an extreme small diameter remains.
  • any other layer e.g. a semiconductor layer, metal layer (in particular aluminum), dielectric layer or superconducting layer, furthermore a conductive or non-conductive polymer layer or a layer system composed of a combination of these layers.
  • the invention also particularly advantageously relates to the use of an opening, which is characterized in that the layer material is integrated with the opening, in particular in the front part of a bending beam clamped on one side, in particular a so-called cantilever (for example US 5 116 462 A, US 5 399 232 A).
  • An advantageous embodiment of the use consists in the fact that a single bending beam or a plurality of bending beams are used as sensor elements in a matrix arrangement, in particular in scanning probe microscopy.
  • the deposition of a thin, optically less transparent layer allows the bending beam or beams to be used for simultaneous atomic force microscopy (AFM, SFM) and optical scanning near-field microscopy (SNOM), with the opening being illuminated by the surface of the layer from the opening can be used as a miniaturized source (Illumination mode) or through the opening itself the light output is recorded by an illuminated sample (collection mode).
  • AFM atomic force microscopy
  • SFM simultaneous atomic force microscopy
  • SNOM optical scanning near-field microscopy
  • a further advantageous embodiment consists in the fact that a matrix-like arrangement of one or more openings on flat substrates or on structured surfaces (eg cantilevers) is used for metering and / or injecting exact, very small amounts of liquid or gas.
  • FIG. 12 An example of such a structure is shown in FIG. 12.
  • first one Structure 61 is produced with a tip section 31 having an opening 33, which is arranged at one end of a bending beam 62, which can be clamped into a holder or the like at the other end in accordance with the customary cantilever construction (FIG. 12a).
  • the thickness of the bending beam can be reduced to the desired extent and the tip section 31 can be exposed analogously to FIG.
  • the exemplary embodiment according to FIG. 11 enables a large number of further applications.
  • the pits or channels 48 52 produced by etching are wholly or partly extended through the substrate 41 and then coated with a transparent and / or dielectric material such as. B. SiO 2 , a polymer.
  • a transparent and / or dielectric material such as. B. SiO 2 , a polymer.
  • optical waveguide structures usable analogous to optical fiber cables are obtained, which enable optical and optoelectronic components to be connected in the dimension perpendicular to the substrate.
  • the channels can also be filled with conductive materials (metals, conductive polymers, semiconducting materials, etc.) in order to produce vias. If these are only partially filled, hollow waveguides result which are interesting for electrical and optical applications. Finally, a combination of these materials is also conceivable. If the trenches or channels are coated with conductive material and then with a dielectric material and then the remaining volumes are filled with conductive material, a coaxial line is obtained which is well known in electrical engineering and which is of particular interest for high-frequency applications. The invention thus in particular also enables the creation of components which are suitable for the electronic and / or optical transmission of signals.
  • conductive materials metal, conductive polymers, semiconducting materials, etc.
  • the method according to the invention can also be applied to depressions which have a V-shaped trench with a plateau-shaped bottom or are designed in the manner of an inverse truncated pyramid, for example, instead of depressions which end in an ideal tip, for example by the one carried out for producing the structures Etching process is stopped before reaching the actual tip.
  • the term "tapering" used above and in the claims is intended to include such plateaus.
  • tip structures with extremely small openings on their apex can be obtained in very thin layers 7, 42. If larger openings are desired, the openings obtained can be enlarged in a targeted manner either before or after the removal of the substrate by a further etching process.
  • This method therefore enables miniaturized openings of a defined size to be produced on the entire substrate.
  • the trench or pyramid-shaped structures can also be produced by methods other than those described, for example with the aid of chemical or electrochemical etching processes, ion beam etching processes or also by mechanical indentation.
  • z. B. NaOH, LiOH or the like. Or organic solutions can be used.

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Abstract

The invention relates to a method for producing at least one small opening (10) in a layer on a substrate (1), in particular a semiconductor substrate. The substrate (1) is provided on its upper face (2) with at least one pointed recess (6) that has a tip section (4) and lateral walls (5) and the upper face (2) of the substrate (1) is covered at least in the region of the recess (6) with a layer (7) consisting of an etchable material. According to the invention, the opening (10) is produced according to an anisotropic plasma etching method that is adapted to the material of the layer (7), by the selective opening of said layer (7) starting from the upper face (2). The material, etching gases and the etching parameters are selected in such a way that a higher etching rate is achieved in the region of a tip section (9) of the layer (7), which covers the tip section (4) of the substrate (1) than in the region of the lateral walls (8) of the layer (7), which cover the lateral walls (5) of the substrate (1). The invention also relates to calibration standards, cantilever beams and other components produced according to said method.

Description

Verfahren zur Herstellung wenigstens einer kleinen Öffnung in einer Schicht auf einem Substrat und damit hergestellte BauelementeProcess for producing at least one small opening in a layer on a substrate and components produced therewith
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung wenigstens einer kleinen Öffnung in einer Schicht auf einem Substrat, insbesondere einem Halbleitersubstrat, wobei das Substrat auf der Oberseite mit wenigstens einer spitz zulaufenden, einen Spitzenabschnitt und Seitenwände aufweisenden Vertiefung versehen, die Oberseite des Substrats zumindest im Bereich der Vertiefung mit einer Schicht aus einem ätzbaren Material belegt und die Öffnung dann im Bereich des Spitzenabschnitts durch Ätzen der Schicht hergestellt wird.The invention relates to a method for producing at least one small opening in a layer on a substrate, in particular a semiconductor substrate, the substrate being provided on the upper side with at least one tapered depression having a tip section and side walls, the upper side of the substrate at least in the region of the Indentation is covered with a layer of an etchable material and the opening is then produced in the region of the tip section by etching the layer.
Bei den im Rahmen der vorliegenden Erfindung interessierenden Öffnungen handelt es sich insbesondere um punkt- oder linienförmige Öffnungen (Aperturen), die Durchmesser bzw. Breiten im Nanometerbereich aufweisen. Derartige Öffnungen werden beispielsweise als Bestandteile von Sonden für die optische Rasternahfeldmikroskopie ("scanning near- field optical microscopy" = SNOM oder "near-field scanning optical microscopy" = NSOM) benötigt. Wie bei allen Rasternahfeldtechniken wird die erzielbare Auflösung hierbei durch die Geometrie und die Abmessungen der Sonde, insbesondere der Sondenöffnung, sowie den Abstand der Sonde zur Oberfläche limitiert. Um Subwellenauflösungen zu erreichen, ist es erforderlich, daß der emittierende oder lichtdetektierende Bereich der Sonde laterale Abmessungen deutlich unter lμ,m, vorzugsweise unter 100 nm aufweist. Daneben können Öffnungen mit derartigen Abmessungen auch z. B. bei Teilchenfiltern, Sieben, durchlässigen Membranen, optischen Raumfiltern, ultrakleinen Kontaktierungen und geschichteten Bauteilen sowie zahlreichen weiteren Einrichtungen vorteilhaft angewendet werden, z. B. bei zur Herstellung von Halbleiterbauelementen bestimmten Ätzmasken. Schließlich besteht im Bereich der Rastersondenmikroskopie allgemein ein Bedarf an dreidimensionalen Kalibrierstandards und Sensoren in Form von einseitig eingespannten Biegebalken (Cantilevern) mit Öffnungen im Nanometerbereich für nahfeldoptische Einrichtungen.The openings of interest in the context of the present invention are in particular punctiform or linear openings (apertures) which have diameters or widths in the nanometer range. Such openings are required, for example, as components of probes for optical scanning near-field optical microscopy ("scanning near-field optical microscopy" = SNOM or "near-field scanning optical microscopy" = NSOM). As with all near-field technologies, the achievable resolution is limited here by the geometry and dimensions of the probe, in particular the probe opening, and the distance from the probe to the surface. In order to achieve sub-wave resolutions, it is necessary for the emitting or light-detecting area of the probe to have lateral dimensions clearly below 1 μm, preferably below 100 nm. In addition, openings with such dimensions can also, for. B. with particle filters, sieves, permeable membranes, optical spatial filters, ultra-small contacts and layered components and numerous other devices can be used advantageously, for. B. in certain for the production of semiconductor devices etching masks. Finally, there is a general need in the field of scanning probe microscopy for three-dimensional calibration standards and sensors in the form of cantilevers clamped on one side with openings in the nanometer range for near-field optical devices.
Zur Herstellung kleiner Öffnungen ist es bekannt (DE 199 26 601 AI), die Oberseite eines Substrats mit Vertiefungen in Form von spitz zulaufenden Gräben oder auf der Spitze stehenden, inversen Pyramiden zu versehen und das Substrat von seiner Unterseite her zu ätzen, bis die Spitzen erreicht und im Bereich der Spitzen kleine Öffnungen entstanden sind. Ein wesentlicher Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß die Dicke üblicher Substrate stark variiert und bereits Dickenschwankungen von ca. 10 μm zur Folge haben können, daß trotz Anwendung definierter Ätzparameter Öffnungen mit unterschiedlichen Durchmessern bzw. Breiten entstehen und/oder die Spitzen der Vertiefungen gar nicht geöffnet werden. Dieses Verfahren ist daher nicht zur reproduzierbaren Herstellung von Öffnungen mit genau vorgewählten Abmessungen geeignet.For the production of small openings, it is known (DE 199 26 601 AI) to provide the top of a substrate with depressions in the form of tapered trenches or inverted pyramids standing on the tip and to etch the substrate from its underside until the tips reached and small openings have formed in the area of the tips. A major disadvantage of this method is that the thickness of conventional substrates varies greatly and variations in thickness of approximately 10 μm can result in openings with different diameters or widths being formed despite the use of defined etching parameters and / or the tips of the depressions not at all be opened. This method is therefore not suitable for the reproducible production of openings with precisely selected dimensions.
Bei einem anderen bekannten Verfahren (ebenfalls DE 199 26 601 AI) wird von einem Siliciumsubstrat ausgegangen, das auf seiner Oberseite mit spitz zulaufenden Vertiefungen und einer thermisch aufgebrachten Siliciumdioxidschicht versehen ist. Zur Herstellung der Öffnungen wird der Umstand ausgenutzt, daß die Siliciumdioxidschicht im Bereich der Spitzen der Vertiefungen Inhomogenitäten aufweist, die durch selektives Ätzen des Substrats von seiner Rückseite her freigelegt und dann durch einen weiteren Ätzschritt selektiv geöffnet werden können. Ein sich dabei ergebender Nachteil besteht darin, daß die die Öffnungen aufweisenden, freigelegten Spitzen die Unterseite des Substrats überragen und daher für Anwendungsfälle, die im wesentlichen planparallele Substrate erfordern, nicht geeignet sind. Außerdem sind mit diesem Verfahren bisher nur Öffnungsbreiten bzw. Öffnungsdurchmesser von ca. 150 nm bis 200 nm und mehr erzielbar und nur bei spezifischen Materialsystemen wie z. B. Siliciumsubstraten anwendbar, die thermisch hergestellte Siliciumdioxidschichten aufweisen.In another known method (also DE 199 26 601 AI), a silicon substrate is assumed which is provided on its upper side with tapered depressions and a thermally applied silicon dioxide layer. The fact that the silicon dioxide layer has inhomogeneities in the region of the tips of the depressions is exploited for the production of the openings and can be exposed from the back by selective etching of the substrate and then selectively opened by a further etching step. A resulting disadvantage is that the exposed tips having the openings project beyond the underside of the substrate and are therefore unsuitable for applications which essentially require plane-parallel substrates. In addition, only opening widths or opening diameters of approximately 150 nm to 200 nm and more have been achievable with this method and only with specific material systems such as B. silicon substrates applicable, which have thermally produced silicon dioxide layers.
Demgegenüber liegt der Erfindung das technische Problem zugrunde, ein Verfahren der eingangs bezeichneten Gattung zu schaffen, mit dem reproduzierbar kleine Öffnungen mit Durchmessern bzw. Breiten von ca. 100 nm oder weniger auch in planparallelen Substraten herstellbar sind und das außerdem bei unterschiedlichen Materialsystemen angewendet werden kann.In contrast, the invention is based on the technical problem of creating a method of the type described in the introduction with which reproducibly small openings with diameters or widths of approximately 100 nm or less can also be produced in plane-parallel substrates and which can also be used with different material systems ,
Zur Lösung dieser Aufgabe ist das Verfahren der eingangs bezeichneten Gattung erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung mittels eines auf das Material der Schicht abgestimmten, anisotropen Plasma-Ätzverfahrens von der Oberseite her durch selektives Öffnen der Schicht hergestellt wird, indem das Material, die Ätzgase und die Ätzparameter so gewählt werden, daß sich im Bereich des Spitzenabschnitts der Vertiefung eine größere Ätzrate als an den Seitenwänden der Vertiefung ergibt.To achieve this object, the method of the type described at the outset is characterized according to the invention in that the opening is produced from the top by means of an anisotropic plasma etching process which is matched to the material of the layer, by selective opening of the layer by the material, the etching gases and the etching parameters are selected so that there is a larger etching rate in the region of the tip section of the depression than on the side walls of the depression.
Erfindungsgemäß werden außerdem ein Kalibrierstandard für die Rastersondenmikroskopie und ein Biegebalken vorgeschlagen, die beide mit nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Öffnungen versehen sind. Der Biegebalken eignet sich vor allem zur Herstellung eines mikromechanischen Sensors.According to the invention, a calibration standard for scanning probe microscopy and a bending beam are also proposed, both of which are provided with openings produced by the method according to the invention. The bending beam is particularly suitable for the production of a micromechanical sensor.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß sich bei zahlreichen Beschichtungen für Substrate der hier interessierenden Art eine ausgeprägte Ätzraten- Winkelverteilung ergibt, wenn die Schichten einem Plasma-Ätzprozeß von der Oberseite her unterworfen werden. Diese Ätzraten- Winkelverteilung kann außerdem nicht nur eine Folge der gewählten Beschichtung sein, sondern sich auch lokal ausbilden, indem z. B. beim Ätzprozeß passivierende Schichten auf senkrecht zum Plasma stehenden Oberflächen weniger stark als auf schräg dazu stehenden Oberflächen abgelagert werden. Die Schichtdicken dieser Ablagerungen können dabei von der Orientierung der Oberflächen abhängen. Außerdem kann sich die elektrische Potentialverteilung beim Plasma-Ätzprozeß dahingehend auswirken, daß im Bereich des Spitzenabschnitts eine andere Ätzrate als im Bereich der Seitenwände erhalten wird. Alle diese und andere Effekte und Ursachen für unterschiedliche Ätzraten werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter der Bezeichnung "Ätzraten- Winkelverteilung" zusammengefaßt. Die Erfindung sieht daher vor, die Oberseite eines strukturierten Substrats mit einer Schicht geeigneter Zusammensetzung, Morphologie und Dicke abzudecken und dann mit geeigneten Ätzgasen und Parametern (insbesondere Druck, Temperatur usw) einem Plasma-Ätzverfahren zu unterwerfen, das unter Ausnutzung der jeweiligen Ätzraten- Winkelverteilung im Bereich der Seitenwände zu deutlich kleineren Ätzraten als im Bereich der Spitzenabschnitte der Vertiefungen führt. Dadurch konnten bisher Öffnungen mit Durchmessern bzw. Breiten von ca. 90 nm erhalten werden.The invention is based on the knowledge that, in the case of numerous coatings for substrates of the type of interest here, a pronounced etching rate angular distribution results when the layers are subjected to a plasma etching process from the top. This etching rate angle distribution can not only be a result of the selected coating, but can also be formed locally, for example by B. in the etching process, passivating layers are deposited less strongly on surfaces perpendicular to the plasma than on obliquely standing surfaces. The layer thicknesses of these deposits can depend on the orientation of the surfaces. In addition, the electrical potential distribution in the plasma etching process can have the effect that a different etching rate in the region of the tip section than in the region of the Side walls is obtained. All these and other effects and causes for different etching rates are summarized in the context of the present invention under the name "etching rate angular distribution". The invention therefore provides to cover the top of a structured substrate with a layer of suitable composition, morphology and thickness and then to subject it with suitable etching gases and parameters (in particular pressure, temperature etc.) to a plasma etching process which takes advantage of the respective etching rate angle distribution leads to significantly lower etching rates in the area of the side walls than in the area of the tip sections of the depressions. So far, openings with diameters or widths of approximately 90 nm have been obtained.
Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Further advantageous features of the invention emerge from the subclaims.
Die Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:The invention is explained below in connection with the accompanying drawings of exemplary embodiments. Show it:
Fig. la bis lf schematisch verschiedene Verfahrensschritte bei der Anwendung eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand von Draufsichten auf ein Substrat (Fig. la, le) und Querschnitten durch das Substrat (Fig. lb bis Id und if);Fig. La to lf schematically different process steps in the application of a first embodiment of the method according to the invention using plan views of a substrate (Fig. La, le) and cross sections through the substrate (Fig. Lb to Id and if);
Fig. 2 und 3 schematische Vertikalschnitte durch Vorrichtungen zur Durchführung von Ätzschritten bei Anwendung des Verfahrens nach Fig. 1;2 and 3 are schematic vertical sections through devices for carrying out etching steps when using the method according to FIG. 1;
Fig. 4a und 4b je eine mit einem Rasterelektronenmilcroskop hergestellte Abbildung eines Substratquerschnitts vor und nach der Herstellung einer Öffnung in einer auf das Substrat aufgebrachten Schicht bei Anwendung des Verfahrens nach Fig. 1;4a and 4b each show an image of a substrate cross section produced with a scanning electron milcroscope before and after the production of an opening in a layer applied to the substrate when using the method according to FIG. 1;
Fig. 5a bis 5c den Fig. 4a und 4b entsprechende Abbildungen, jedoch nach Tiefätzung des Substrats unter Anwendung der die Öffnungen enthaltenden Schicht als Ätzmaske in unterschiedlichen Maßstäben; Fig. 6 eine mit einem Rasterelektronenmikroskop erhaltene Abbildung analog zu Fig. 4 und 5, jedoch mit einer zusätzlichen, beim Tiefätzen erhaltenen Ätzkante;5a to 5c are images corresponding to FIGS. 4a and 4b, but after deep etching of the substrate using the layer containing the openings as an etching mask on different scales; 6 shows an image obtained with a scanning electron microscope analogous to FIGS. 4 and 5, but with an additional etching edge obtained during deep etching;
Fig. 7a bis 7e den Fig. la bis lf entsprechende Ansichten bei der Anwendung eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens;7a to 7e the views corresponding to FIGS. La to lf when using a second embodiment of the method according to the invention;
Fig. 8a und 8b mit einem Rasterelektronenmikroskop erhaltene Draufsichten auf ein mit einer ätzbaren Schicht versehenes, strukturiertes Substrat vor und nach der Ausbildung einer Öffnung;8a and 8b plan views obtained with a scanning electron microscope on a structured substrate provided with an etchable layer before and after the formation of an opening;
Fig. 9a bis 9f den Fig. la bis lf entsprechende Ansichten bei der Anwendung eines dritten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens;9a to 9f views corresponding to FIGS. La to lf when using a third exemplary embodiment of the method according to the invention;
Fig. 10a bis 10c in schematischen Querschnitten eines Substrats einen Vergleich zwischen einem bekannten und dem erfindungsgemäßen Verfahren; und10a to 10c in schematic cross sections of a substrate, a comparison between a known method and the method according to the invention; and
Fig. 11a bis lle und Fig. 12a, 12b in den Fig. la bis lf entsprechenden Ansichten zwei weitere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens:11a to lle and FIGS. 12a, 12b in views corresponding to FIGS. La to lf show two further exemplary embodiments of the method according to the invention:
Ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist schematisch in Fig. la bis lf dargestellt. In einem ersten Verfahrensschritt (Fig. la und lb) wird ein Substrat 1 strukturiert. Das Substrat 1 liegt hier als dünne, im wesentlichen planparallele, einkristalline Siliciumscheibe vor, die eine als (001) - Kristallfläche orientierte Oberseite 2 und eine Unterseite 3 aufweist. Die auf der Oberseite 2 im ersten Verfahrensschritt hergestellte Strukturierung enthält wenigstens eine spitz zulaufende, einen Spitzenabschnitt 4 (Apex) und zwei Seitenwände 5 aufweisende Vertiefung 6. Die Vertiefung 6 wird dadurch hergestellt, daß die Oberseite 2 in an sich bekannter Weise zunächst mit einer Maskierung versehen wird, die eine rechteckige Öffnung aufweist, und dann durch diese Maskierungsöffnung hindurch beispielsweise mit einer wässrigen Kaliumhydroxid-Lösung (KOH) anisotrop geätzt wird. Bei diesem Ätzvorgang erhalten die Seitenwände 5 eine (111) - Orientierung, und es entsteht eine Vertiefung 6 in Form eines geraden, V-förmigen Grabens mit einem Öffhungswinkel zwischen den Seitenwänden 5 von ca. 70,5°. Gemäß Fig. la und lb erstreckt sich die Vertiefung 6 über die ganze Länge, vorzugsweise jedoch nur über einen Teil der Breite des Substrats 1. Die nicht dargestellte Maskierungsschicht besteht z. B. aus einer zuvor aufgebrachten Siliciumdioxid- (SiO2-) oder Siliciumnitrid- (SiNx-) Schicht.A first exemplary embodiment of the method according to the invention is shown schematically in FIGS. In a first method step (FIGS. 1 a and 1 b), a substrate 1 is structured. The substrate 1 is here in the form of a thin, essentially plane-parallel, single-crystalline silicon wafer which has an upper side 2 oriented as a (001) crystal surface and an underside 3. The structuring produced on the top 2 in the first method step contains at least one tapered depression 6, which has a tip section 4 (apex) and two side walls 5. The depression 6 is produced in that the top 2 is initially masked in a manner known per se is provided, which has a rectangular opening, and then anisotropically etched through this masking opening, for example with an aqueous potassium hydroxide solution (KOH). During this etching process, the side walls 5 are given a (111) orientation, and a depression 6 is formed in the form of a straight, V-shaped one Trench with an opening angle between the side walls 5 of approximately 70.5 °. According to FIGS. 1 a and 1 b, the depression 6 extends over the entire length, but preferably only over part of the width of the substrate 1. B. from a previously applied silicon dioxide (SiO 2 -) or silicon nitride (SiN x -) layer.
In einem zweiten Verfahrensschritt wird das Substrat 1 auf seiner gesamten strukturierten Oberseite 2 mit einer z. B. ca. 300 nm dicken Schicht 7 aus Siliciumdioxid belegt (Fig. lc), indem das Substrat 1 bei Temperaturen von z. B. 800 °C bis 1200 °C mit Wasserdampf als Oxidationsmittel thermisch oxidiert oder durch ein CVD- Verfahren (= Chemical Vapour Deposition) z. B. unter Anwendung von Distickstoffoxid (N2O) und Silan (SiH4) mit SiO2 beschichtet wird. Die SiO2-Schicht 7 kann dabei durch Anwendung von Oxidationstemperaturen zwischen ca. 800 °C und 900 °C bei Bedarf mit charakteristischen Inhomogenitäten im Bereich der konvexen oder konkaven Kanten der Grabenstruktur versehen werden (z.B. DE 199 26 601 AI). Die Form der Vertiefung 6 gemäß Fig. la und lb bleibt beim beschriebenen Beschichtungsvorgang im wesentlichen erhalten, so daß auf der Oberseite der Schicht 7 entsprechende V-förmig angeordnete Seitenwände 8 und ein Spitzenabschnitt 9 entstehen. Die im vorhergehenden Verfahrensschritt verwendete Maskierungsschicht kann vor dem Aufbringen der SiO2-Schicht 7 entfernt, aber auch stehen gelassen werden.In a second process step, the substrate 1 is coated on its entire structured upper side 2 with a z. B. about 300 nm thick layer 7 made of silicon dioxide (Fig. Lc) by the substrate 1 at temperatures of z. B. 800 ° C to 1200 ° C with water vapor as an oxidant thermally oxidized or by a CVD process (= Chemical Vapor Deposition) z. B. using nitrous oxide (N 2 O) and silane (SiH 4 ) is coated with SiO 2 . The SiO 2 layer 7 can be provided with characteristic inhomogeneities in the region of the convex or concave edges of the trench structure (for example DE 199 26 601 AI) by using oxidation temperatures between approximately 800 ° C. and 900 ° C. The shape of the recess 6 according to FIGS. 1a and 1b is essentially retained in the coating process described, so that corresponding V-shaped side walls 8 and a tip section 9 are formed on the top of the layer 7. The masking layer used in the previous method step can be removed before the SiO 2 layer 7 is applied, but can also be left to stand.
Das Substrat 1 wird nun von seiner Oberseite 2 her mit einem geeigneten Plasma-Ätzverfahren behandelt, um die Schicht 7 im Bereich des Spitzenabschnitts 9 mit einer durchgehenden Öffnung 10 (Fig. Id und le) zu versehen. Der Plasma-Ätzprozess wird mit Hilfe eines schematisch in Fig. 2 dargestellten, an sich bekannten, kapazitiv gekoppelten Parallel-Platten-Reaktors durchgeführt, der ein Gehäuse 11 mit einer oberen Elektrode 12 und einer unteren Elektrode 14 aufweist, auf die das Substrat 1 aufgelegt wird. Außerdem sind ein Gaseinlaß 15, ein Gasauslaß 16 und ein mit der unteren Elektrode 14 verbundener Hochfrequenzgenerator 17 vorhanden, der hier bei 13,56 MHz mit einer Leistung von ca. 160 W betrieben wird. Dem Gaseinlaß 15 werden Argon (Ar) mit 5 sccm und Trifluormethan (CHF3) mit 4,5 sccm zugeführt. Über den Gasauslaß wird im Gehäuse 11 ein Druck von ca. 75 mTorr aufrecht erhalten. Das sich beim Betrieb der Vorrichtung nach Fig. 2 einstellende Plasma 18 führt zu einer Gleichvorspannung des Substrats 1 von 250 V.The substrate 1 is now treated from its upper side 2 with a suitable plasma etching process in order to provide the layer 7 in the region of the tip section 9 with a continuous opening 10 (FIGS. 1d and 1e). The plasma etching process is carried out with the aid of a known, capacitively coupled parallel plate reactor, shown schematically in FIG. 2, which has a housing 11 with an upper electrode 12 and a lower electrode 14, on which the substrate 1 is placed becomes. There is also a gas inlet 15, a gas outlet 16 and a high-frequency generator 17 connected to the lower electrode 14, which is operated here at 13.56 MHz with a power of approximately 160 W. Argon (Ar) with 5 sccm and trifluoromethane (CHF 3 ) with 4.5 sccm are fed to the gas inlet 15. A pressure of approximately 75 mTorr is maintained in the housing 11 via the gas outlet. The plasma 18 which arises during operation of the device according to FIG. 2 leads to a direct bias of the substrate 1 of 250 V.
Im Ausführungsbeispiel beträgt die Ätzdauer 7 min bei einer Dicke der SiO2-Schicht 7 von 300 nm. Dadurch ergibt sich im Bereich des Spitzenabschnitts 9 der Schicht 7 (Fig. lc) eine bis zum Spitzenabschnitt 4 des Substrats 1 durchgehende, schlitzförmige Öffnung 10 (Fig. ld und le) mit einer über die ganze Länge der Vertiefung 6 im wesentlichen gleich bleibenden Breite b (Fig. le) von ca. 90 nm. Das ist eine Folge davon, daß die genannten Ätzgase und Ätzparameter so aufeinander abgestimmt sind, daß innerhalb der SiO2-Schicht 7 gegenüber dem gewählten und für diesen Fall als geeignet erkannten Plasma-Ätzprozess eine ausgeprägte Ätzraten- Winkelverteilung erhalten und die SiO2-Schicht 7 im Bereich ihres Spitzenabschnitts 9 mit einer größeren Ätzrate als im Bereich ihrer Seitenwände 8 geätzt wird.In the exemplary embodiment, the etching time is 7 min with a thickness of the SiO 2 layer 7 of 300 nm. This results in a slit-shaped opening 10 in the region of the tip section 9 of the layer 7 (FIG. 1c) (up to the tip section 4 of the substrate 1). Fig. Ld and le) with a substantially constant width b (Fig. Le) of approximately 90 nm over the entire length of the recess 6. This is a consequence of the fact that the etching gases and etching parameters mentioned are coordinated with one another in such a way that a pronounced etching rate angular distribution is obtained within the SiO 2 layer 7 compared to the plasma etching process chosen and recognized as suitable in this case, and the SiO 2 layer 7 is etched in the region of its tip section 9 with a larger etching rate than in the region of its side walls 8 ,
Im Anschluß an die Herstellung der Öffnung 10 wird die mit ihr versehende SiO2-Schicht 7 als Ätzmaske bei einem nachfolgenden Tiefätzschritt angewendet, der dem Zweck dient, die in der SiO2-Schicht 7 ausgebildeten Öffnung 10 durch das Substrat 1 hindurch fortzusetzen und zu verlängern. Dadurch wird in diesem Verfahrensschritt (Fig. le, lf) ein zur Öffnung 10 hin offener, nutenförmiger Spalt bzw. Kanal 19 im Substrat 1 erhalten, der im wesentlichen dieselbe Breite wie die Öffnung 10 hat.Following the production of the opening 10, the SiO 2 layer 7 provided with it is used as an etching mask in a subsequent deep etching step, which serves the purpose of continuing and closing the opening 10 formed in the SiO 2 layer 7 through the substrate 1 extend. As a result, in this method step (FIGS. Le, lf), a groove-shaped gap or channel 19 in the substrate 1 that is open toward the opening 10 and that has essentially the same width as the opening 10 is obtained.
Das Tiefätzen wird z.B. mit einer induktiv gekoppelten, zum Tiefätzen von Silicium geeigneten Plasma-Ätzvorrichtung durchgeführt, die schematisch in Fig. 3 dargestellt ist. Sie enthält ein Gehäuse 20 mit einem vertikal angeordneten Quarzrohr 21, das an seinem oberen Ende verschlossen ist, jedoch einen Gaseinlaß 22 aufweist. Das Quarzrohr 21 ist außerdem von einer mit einer Wasser gekühlten HF- Wicklung 23 umwickelt. Das untere, offene Ende des Quarzrohrs 21 ist auf eine Elektrode 24 gerichtet, auf der das zu behandelnde Substrat 1 aufliegt. Der vom Quarzrohr 21 umschlossene und der das Substrat 1 umgebende Raum sind über einen Gasauslaß 25 an eine Hochleistungspumpe angeschlossen. Der Elektrode 24 ist außerdem eine nicht näher dargestellte Kühleinrichtung zugeordnet, um das Substrat 1 beim Betrieb der Vorrichtung auf einer Temperatur von z.B. 10 °C zu halten.Deep etching is carried out, for example, using an inductively coupled plasma etching device suitable for deep etching of silicon, which is shown schematically in FIG. 3. It contains a housing 20 with a vertically arranged quartz tube 21, which is closed at its upper end, but has a gas inlet 22. The quartz tube 21 is also wrapped with a water-cooled HF winding 23. The lower, open end of the quartz tube 21 is directed towards an electrode 24 on which the substrate 1 to be treated rests. The space enclosed by the quartz tube 21 and the space surrounding the substrate 1 are connected to a high-performance pump via a gas outlet 25 connected. The electrode 24 is also assigned a cooling device (not shown in more detail) in order to keep the substrate 1 at a temperature of, for example, 10 ° C. when the device is operating.
Zur Durchführung der Ätzschritte werden gemäß- einem ersten Ausfuhrungsbeispiel Argon mit ca. 24 sccm, Schwefelhexafluorid (SF6) mit ca. 18 sccm und Sauerstoff (O2) mit ca. 30 sccm zugeführt. Dabei wird im Gehäuse 21 über den Gasauslaß 25 ein Druck von 10 mTorr eingestellt. Die Wicklung 23 wird mit einer Frequenz von 13,56 MHz bei 600 W betrieben, wobei eine Gleichvorspannung von 127 V eingestellt wird bzw. sich durch das gebildete Plasma einstellt. Die Substrat-Temperatur wird auf 10 °C gehalten. Die Ätzdauern betragen ca. 2 min.According to a first exemplary embodiment, argon with approximately 24 sccm, sulfur hexafluoride (SF 6 ) with approximately 18 sccm and oxygen (O 2 ) with approximately 30 sccm are fed in to carry out the etching steps. A pressure of 10 mTorr is set in the housing 21 via the gas outlet 25. The winding 23 is operated at a frequency of 13.56 MHz at 600 W, a direct bias of 127 V being set or being established by the plasma formed. The substrate temperature is kept at 10 ° C. The etching times are approx. 2 minutes.
Alternativ kann eine weitgehend anisotrope Tiefätzung auch durch Anwendung eines an sich bekannten Tiefätzverfahrens erhalten werden, bei dem abwechselnd aufeinander folgende Ätz- und Polymerisationsschritte durchgeführt werden. Die Ätzschritte dienen zur abschnittsweisen Ätzung von unterhalb der Öffnung 10 liegenden Zonen des Substrats 1. Dagegen wird während der Polymerisationsschritte ein Polymer auf die durch die Öffnung 10 definierten lateralen Begrenzungen der sich im Substrat 1 bildenden Struktur aufgebracht, um dadurch Unterätzungen, wie sie bei isotroper Ätzung entstehen würden, weitgehend zu vermeiden. Auch dadurch wird im Verfahrensschritt (Fig. le, lf) der zur Öffnung hin offene, nutenförmige Spalt bzw. Kanal 19 im Substrat 1 erhalten, der im wesentlichen dieselbe Breite wie die Öffnung 10 hat.Alternatively, a largely anisotropic deep etching can also be obtained by using a deep etching method known per se, in which successive etching and polymerization steps are carried out alternately. The etching steps serve for section-wise etching of zones of the substrate 1 lying below the opening 10. In contrast, during the polymerization steps, a polymer is applied to the lateral boundaries of the structure formed in the substrate 1 defined by the opening 10, in order to thereby undercut, as is the case with isotropic Etching would occur to a large extent to avoid. This also results in the method step (FIGS. Le, lf) of the groove-shaped gap or channel 19 in the substrate 1 which is open towards the opening and has essentially the same width as the opening 10.
Zur Durchführung der Ätzschritte werden bei Anwendung dieses Verfahrens gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel Argon mit ca. 17,1 sccm, Schwefelhexafluorid (SF6) mit ca. 35 sccm und Sauerstoff (O2) mit ca. 5 sccm zugeführt. Die Wicklung 23 wird mit einer Frequenz von 13,56 MHz bei 550 W betrieben, wobei sich durch das gebildete Plasma eine Gleichvorspannung von 96 V einstellt. Die Ätzdauern betragen ca. 18 s. Die übrigen Parameter sind wie im zuerst genannten Beispiel.To carry out the etching steps, using this method according to a second exemplary embodiment, argon with approximately 17.1 sccm, sulfur hexafluoride (SF 6 ) with approximately 35 sccm and oxygen (O 2 ) with approximately 5 sccm are supplied. The winding 23 is operated at a frequency of 13.56 MHz at 550 W, with a DC bias of 96 V being established by the plasma formed. The etching times are approx. 18 s. The other parameters are the same as in the first example.
Zur Durchführung der Polymerisationsschritte werden bei Anwendung derselben Vor- richtung nach Fig. 3 CHF3 mit 40 sccm und Methan (CH4) mit 5 sccm zugeführt. Bei sonst gleichen Parametern wird ein Druck im Gehäuse 20 von 60 mTorr aufrecht erhalten, und die sich bei der Plasmaentwicklung einstellende Gleichvorspannung beträgt ca. 24 V. Die Polymerisationsschritte werden mit einer Dauer von ca. je 8 s durchgeführt.To carry out the polymerization steps using the same preliminary 3 CHF 3 with 40 sccm and methane (CH 4 ) with 5 sccm. If the parameters are otherwise the same, a pressure of 60 mTorr is maintained in the housing 20, and the DC bias that arises during plasma development is approximately 24 V. The polymerization steps are carried out with a duration of approximately 8 s each.
Tiefätzungen dieser Art sind z. B. aus der deutschen Patentschrift DE 42 41 045 Cl bekannt, die zur Vermeidung weiterer Erläuterungen hiermit durch Referenz auf sie zum Gegenstand der vorliegenden Offenbarung gemacht wird.Deep etchings of this type are e.g. B. from German Patent DE 42 41 045 Cl known, which is hereby made to avoid further explanations by reference to them the subject of the present disclosure.
Die mit dem beschriebenen Verfahren erhaltenen Öffnungen 10 bzw. Kanäle 19 sind in Fig. 4, 5 und 6 anhand von Rasterelektronenmikroskop- Abbildungen dargestellt.The openings 10 or channels 19 obtained with the described method are shown in FIGS. 4, 5 and 6 on the basis of scanning electron microscope images.
Aus Fig. 4a ist zunächst deutlich die durch Beschichtung mit SiO2 erhaltene Grabenstruktur mit ihrem Apex erkennbar. Dagegen zeigt Fig. 4b die bereits ausgebildete Öffnung 10 mit einer Breite von 90 nm.The trench structure obtained by coating with SiO 2 and its apex can first be clearly seen from FIG. 4a. In contrast, FIG. 4b shows the opening 10 already formed with a width of 90 nm.
Fig. 5 zeigt in unterschiedlichen Maßstäben zwei durch den Tiefätzschritt hergestellte, nutenförmige Kanäle 27. Dabei ist der aus Fig. 5a ersichtliche Kanal 27a mit dem im ersten Ausfuhrungsbeispiel angewendeten Verfahren, der aus Fig. 5b und 5c ersichtliche Kanal 27b dagegen mit dem in zweiten Ausführungsbeispiel angewendeten Verfahren hergestellt worden. Die SiO2-Schicht 7 wurde vor Anfertigung der Rasterelektronenmikroskop-Aufnahmen jeweils vollständig entfernt, so daß nur die Vertiefung 6 im Substrat 1 sichtbar ist. Gemäß Fig. 5c wird auch bei einer beträchtlichen Kanaltiefe von z.B. 1,5 μm eine nur ca. 200 nm betragende Kanalbreite erhalten.5 shows, on different scales, two groove-shaped channels 27 produced by the deep-etching step. Channel 27a shown in FIG. 5a with the method used in the first exemplary embodiment, channel 27b shown in FIGS. 5b and 5c, however, with the channel in second Embodiment applied methods have been prepared. The SiO 2 layer 7 was in each case completely removed before the scanning electron microscope images were taken, so that only the depression 6 in the substrate 1 is visible. 5c, a channel width of only about 200 nm is obtained even with a considerable channel depth of, for example, 1.5 μm.
In Fig. 6 ist schließlich dargestellt, daß durch den Tiefätzschritt auch steil abfallende Stufen 28 im Siliciumsubstrat 1 erhalten werden können, die längs scharfer Kanten 29 in die Seitenwände 5, 8 des Substrats 1 bzw. in die SiO2-Schicht 7 übergehen. Das ist eine Folge davon, daß beim Öffnen der Schicht 7 am Apex wegen der beschriebenen Ätzraten- Winkelverteilung auch die auf der Oberseite des Substrats 1 befindliche Schicht 7 durch Ätzen entfernt wird, da die Ätzrate hier aufgrund der gleichen Orientierung eine ähnliche Größe wie die Ätzrate am Apex hat. Beim stark anisotropen Tiefätzen mit der SiO2- Schicht 7 als Ätzmaske bilden sich daher an den Seiten des Substrats 1 jeweils die Stufen 28 aus. Diese Stufen 28 können zur Bildung von Ätzwannen in der Siliciumscheibe und damit z.B. in der Halbleitertechnik zur Herstellung dreidimensionaler Feldeffekttransistoren genutzt werden. Sollen derartige Stufen 28 vermieden oder nur an vorgewählten Stellen ausgebildet werden, muß die Oberseite der SiO2-Schicht 7 außerhalb der Grabenstruktur und vor dem Herstellen der Öffnung 10 ganz oder teilweise mit geeigneten Maskierungen abgedeckt werden, die einen Ätzangriff auf das Siliciumsubstrat 1 ausschließen.Finally, FIG. 6 shows that the deep etching step also allows steep steps 28 to be obtained in the silicon substrate 1, which pass along the longitudinal sharp edges 29 into the side walls 5, 8 of the substrate 1 or into the SiO 2 layer 7. This is a consequence of the fact that when the layer 7 is opened on the apex due to the described etching rate angular distribution, the layer 7 located on the upper side of the substrate 1 is also removed by etching, since the etching rate here is similar due to the same orientation Size as the etching rate on the apex. In the case of deeply anisotropic deep etching with the SiO 2 layer 7 as an etching mask, the steps 28 are therefore formed on the sides of the substrate 1. These stages 28 can be used to form etching troughs in the silicon wafer and thus, for example, in semiconductor technology for producing three-dimensional field-effect transistors. If steps 28 of this type are to be avoided or are to be formed only at preselected locations, the top of the SiO 2 layer 7 outside the trench structure and before the opening 10 is made must be covered in whole or in part with suitable masks which rule out an etching attack on the silicon substrate 1.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 und 8 unterscheidet sich von dem nach Fig. 1 bis 6 nur durch die unterschiedliche Form der Öffnung und der damit hergestellten Strukturen im Substrat 1. Analog zu Fig. 1 wird das Substrat 1 an seiner Oberseite zunächst mit einer spitz zulaufenden Vertiefung versehen, und dann mit einer SiO2-Schicht 7 belegt, die eine entsprechende Vertiefung 30 mit einem Spitzenabschnitt 31 aufweist und von Seitenwänden 32 begrenzt ist (Fig. 7b). Abweichend von Fig. 1 besitzt die Vertiefung 30 die Form einer inversen, auf der Spitze 31 stehenden Pyramide mit quadratischer Grundfläche, wie in Fig. 7a aus der Draufsicht erkennbar ist. Handelt es sich bei der Oberfläche des Siliciumsubstrats 1 um eine (001) - Kristallfläche, dann sind alle vier Seitenwände 32 nach Durchführung des ersten Ätzschritts (111) orientiert. Anstatt an nur zwei Seiten ist die hergestellte Struktur somit an vier Seiten begrenzt.The exemplary embodiment according to FIGS. 7 and 8 differs from that according to FIGS. 1 to 6 only in the different shape of the opening and the structures thus produced in the substrate 1. Analogously to FIG. 1, the substrate 1 is initially pointed at its top tapered depression, and then coated with a SiO 2 layer 7, which has a corresponding depression 30 with a tip portion 31 and is delimited by side walls 32 (Fig. 7b). 1, the depression 30 has the shape of an inverse pyramid standing on the tip 31 with a square base, as can be seen from the top view in FIG. 7a. If the surface of the silicon substrate 1 is a (001) crystal surface, then all four side walls 32 are oriented after the first etching step (111) has been carried out. Instead of only two sides, the structure produced is therefore limited on four sides.
Im Spitzenabschnitt 31 der Vertiefung 30 wird in derselben Weise, wie oben anhand der Fig. 1 beschrieben ist, eine Öffnung 33 (Fig. 7c) ausgebildet, die die Schicht 7 bzw. deren Spitzenabschnitt 31 vollständig durchsetzt. In der Draufsicht nach Fig. 7d ist der Querschnitt dieser Öffnung 33 im wesentlichen quadratisch bei einer Kantenlänge von ca. 150 nm. Wird die die Öffnung 33 aufweisende SiO2-Schicht 7 daher analog zur Fig. 1 als Ätzmaske für einen abschließenden Tiefätzprozess verwendet, dann entsteht im darunter liegenden Substrat 1 gemäß Fig. 7e lediglich eine schachtartige Grube 34 mit einem dem Querschnitt der Öffnung 33 im wesentlichen entsprechenden Querschnitt. Fig. 8 zeigt mit einem Rasterelektronenmikroskop angefertigte Abbildungen von nach Fig. 7 behandelten Substraten. Insbesondere zeigt Fig. 8a eine Draufsicht auf die thermisch aufgebrachte SiO2-Schicht 7 mit ihrer Vertiefung 30 (Fig. 7a und 7b), wobei der zentrale Spitzenabschnitt 31, die Seitenwände 32 und von diesen gebildete, schattiert erscheinende Schnittlinien 35 erkennbar sind, an denen die Seitenwände 32 paarweise aneinander grenzen. Dagegen zeigt Fig. 8b eine Abbildung, bei welcher die SiO2-Schicht 7 bereits mit Hilfe des anhand der Fig. 1 beschriebenen Ätzschritts behandelt worden ist, der wegen der bestehenden Ätzraten- Winkelverteilung anisotrop verläuft und daher im Apexbereich zur Öffnung 34 führt.An opening 33 (FIG. 7c) is formed in the tip section 31 of the depression 30 in the same way as described above with reference to FIG. 1, which completely penetrates the layer 7 or its tip section 31. 7d, the cross section of this opening 33 is essentially square with an edge length of approximately 150 nm. If the SiO 2 layer 7 having the opening 33 is therefore used analogously to FIG. 1 as an etching mask for a final deep etching process, then only a shaft-like pit 34 with a cross section substantially corresponding to the cross section of the opening 33 is formed in the underlying substrate 1 according to FIG. 7e. FIG. 8 shows images of substrates treated according to FIG. 7 made with a scanning electron microscope. In particular, FIG. 8a shows a top view of the thermally applied SiO 2 layer 7 with its depression 30 (FIGS. 7a and 7b), the central tip section 31, the side walls 32 and cut lines 35 appearing shaded by them being recognizable which the side walls 32 adjoin in pairs. 8b shows an illustration in which the SiO 2 layer 7 has already been treated with the aid of the etching step described with reference to FIG. 1, which is anisotropic because of the existing etching rate angle distribution and therefore leads to the opening 34 in the apex region.
Ein drittes und derzeit als am besten empfundenes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 9 dargestellt. Abweichend von Fig. 1 und 7 ist hier ein Siliciumsubstrat 41 auf seiner (001) - Oberseite mit einer Mehrzahl von z.B. matrixförmig angeordneten Vertiefungen versehen, die je nach Bedarf auf der Spitze stehende Pyramiden oder spitz zulaufende Gräben sind, die jedoch abweichend von Fig. 1 an ihren Längsenden durch Seitenwände geschlossen sind. Das Siliciumsubstrat 41 wurde nach der Strukturierung thermisch mit einer dünnen SiO2-Schicht 42 belegt (Fig. 9b), so daß auf der Oberseite des Substrats 41 anhand der Fig. 1 und 7 beschriebene, mit SiO2 bedeckte Vertiefungen 43, 44 und 45 vorhanden sind, die je nach gewünschter Struktur quadratische oder rechteckige Konturen aufweisen. Die mit rechteckigen Querschnitten versehenen Vertiefungen bzw. Gräben 44, 45 können dabei mit senkrecht zueinander stehenden Längsachsen angeordnet sein, wie Fig. 9a deutlich zeigt. Die sich an den Längsenden der Vertiefungen 44, 45 bildenden Seitenwände (z.B. 46 in Fig. 9a) liegen je nach Fall parallel zu (111) - Flächen des Substrats 41 oder auch nicht.A third embodiment of the invention, which is currently felt to be the best, is shown in FIG. 9. 1 and 7, a silicon substrate 41 is provided on its (001) upper side with a plurality of, for example, matrix-shaped depressions which, depending on requirements, are pyramids or apex trenches which, however, deviate from FIG. 1 are closed at their longitudinal ends by side walls. After the structuring, the silicon substrate 41 was thermally coated with a thin SiO 2 layer 42 (FIG. 9b), so that depressions 43, 44 and 45 covered with SiO 2 and described on the top of the substrate 41 with reference to FIGS. 1 and 7 are available, which have square or rectangular contours depending on the desired structure. The depressions or trenches 44, 45 provided with rectangular cross sections can be arranged with longitudinal axes perpendicular to one another, as clearly shown in FIG. 9a. The side walls (for example 46 in FIG. 9a) which form at the longitudinal ends of the depressions 44, 45 lie, depending on the case, parallel to (111) surfaces of the substrate 41 or not.
Nach der Ausbildung der SiO2-Schicht 42 wird das Substrat von seiner Oberseite her einem Plasma-Ätzschritt analog zu Fig. lb unterworfen, so daß in den Spitzenabschnitten aller vorhandenen Vertiefungen 43, 44 und 45 je eine Öffnung 47 entsteht, wobei alle Öffnungen 47 mit dem demselben Ätzschritt erzeugt werden. Die auf diese Weise hergestellte, mit den Öffnungen 47 versehenen SiO2-Schicht 42 wird in einem nachfolgenden Tiefätzschritt mit schachtartigen Gruben bzw. Kanälen 48 (Fig. 9d) versehen, wobei die anhand der Fig. 1 bis 7 beschriebene Verfahrensweise analog angewendet wird und daher analoge Ergebnisse erzielt werden.After the SiO 2 layer 42 has been formed, the upper side of the substrate is subjected to a plasma etching step analogous to FIG. 1b, so that an opening 47 is formed in the tip sections of all the depressions 43, 44 and 45 present, all openings 47 can be generated with the same etching step. The SiO 2 layer 42 produced in this way and provided with the openings 47 is provided in a subsequent deep-etching step with shaft-like pits or channels 48 (FIG. 9d), the 1 to 7 described procedure is applied analogously and therefore analog results are achieved.
Das Substrat 41 wird in einem an den Tiefätzschritt anschließenden weiteren Verfahrensschritt mit planen Ober- und Unterseiten 49, 50 (Fig. 9e) versehen, indem diese, gegebenenfalls nach vorheriger Entfernung der SiO2-Schicht 42 mit KOH, durch Plasmaätzen od. dgl. z. B. mit einem chemich-mechanischen Verfahren poliert werden. Die dadurch erhaltenen Oberflächen sind glatt (eben) und mit im wesentlichen identischen Strukturen versehen. Dieser Verfahrensschritt kann unabhängig davon vorgenommen werden, ob das Substrat 41 beim Tiefätzen mit nach Art von Sacklöchern ausgebildeten Gruben bzw. nutenartigen Kanälen 48 versehen wird, die geschlossene Böden 51 (Fig. 9e) aufweisen, oder ob das Substrat 41 mit säulenartigen Durchgängen bzw. Schlitzen oder Spalten 52 versehen wird, die das Substrat 41 vollständig durchsetzen (Fig. lf).In a further process step following the deep-etching step, the substrate 41 is provided with flat upper and lower sides 49, 50 (FIG. 9e), by plasma etching or the like, if appropriate after prior removal of the SiO 2 layer 42 with KOH. z. B. be polished with a chemical mechanical process. The surfaces thus obtained are smooth (flat) and have essentially identical structures. This method step can be carried out regardless of whether the substrate 41 is provided with deep-etching pits or groove-like channels 48 which have closed bottoms 51 (FIG. 9e) or whether the substrate 41 has column-like passages or Slits or gaps 52 are provided which completely penetrate the substrate 41 (Fig. Lf).
Ein besonderer Vorteil des Ausführungsbeispiels nach Fig. 9 besteht darin, daß wegen der beschriebenen Ätzraten- Winkelverteilung alle in demselben Substrat 41 ausgebildeten Öffnungen 47 und mit diesen hergestellten Gruben/Kanäle 48 bzw. Durchgänge/Schlitze 52 im wesentlichen dieselben, im Nanometerbereich liegenden Breiten b (Fig. 9d) aufweisen und mit geringen Breitenschwankungen reproduzierbar sind.A particular advantage of the exemplary embodiment according to FIG. 9 is that because of the described etching rate angular distribution, all openings 47 formed in the same substrate 41 and pits / channels 48 or passages / slots 52 produced therewith essentially the same widths b in the nanometer range (Fig. 9d) and are reproducible with small fluctuations in width.
Das Substrat 41 nach Fig. 9f ist ausgezeichnet als Kalibrierstandard anwendbar, da es im Gegensatz zu bekannten Vorrichtungen (DE 199 26 601 AI) ohne weiteres mit planen, glatten Ober- und Unterseiten versehen werden kann. Das Prinzip eines solchen Kalibrierstandards ist es, lochartige oder linienartige Strukturen mit reproduzierbaren Geometrien und einem optisch opaken, aber möglichst kleinen Substrat bereit zu stellen. Die Planarität der Oberfläche muß gefordert werden, um keine topographiebedingten Artefakte bei der nahfeldoptischen Abbildung zu erhalten (APL). Die Sonde eines Rasternahfeldmikroskops kann daher dicht an den Planflächen 49, 50 entlang bewegt werden. Außerdem sind für den Fall, daß einer der Durchgänge oder Schlitze 52 verschmutzen, verstopfen oder aus anderen Gründen unbrauchbar werden sollte, noch zahlreiche weitere Durchgänge oder Schlitze 52 desselben Substrats mit identischen Abmessungen und damit redundant vorhanden. Auf diese Weise wird die praktische Gebrauchsdauer des Kalibrierstandards im Vergleich zu bekannten Vorrichtungen wesentlich vergrößert.The substrate 41 according to FIG. 9f can be used excellently as a calibration standard since, in contrast to known devices (DE 199 26 601 AI), it can be easily provided with flat, smooth upper and lower sides. The principle of such a calibration standard is to provide hole-like or line-like structures with reproducible geometries and an optically opaque but as small as possible substrate. The planarity of the surface must be required so that no topography-related artifacts are obtained in the near-field optical imaging (APL). The probe of a scanning near-field microscope can therefore be moved closely along the plane surfaces 49, 50. In addition, in the event that one of the passages or slots 52 becomes dirty, clogged, or becomes unusable for any other reason, there are numerous other passages or slots 52 of the same substrate with identical dimensions and thus redundant available. In this way, the practical service life of the calibration standard is significantly increased compared to known devices.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung ergibt sich aus Fig. 10. In Fig. 10a ist ein Substrat 54 mit einer typischen Dickenvariation TTV (total thickness Variation) von ca. 1 bis 10 μm und einer Mehrzahl von Öffnungen 55 in einer thermisch aufgebrachten SiO2- Schicht 56 dargestellt. Würde versucht, die Öffnungen 56 von der Unterseite 57 des Substrats 54 her durch Ätzen mit KOH od. dgl. freizulegen (DE 199 26 601 AI), dann würde ein Endprodukt nach Fig. 10b erhalten, bei dem nicht alle Öffnungen 56 gleichzeitig freigelegt worden sind. Vielmehr ist z.B. die Öffnung 55a in der Mitte der Fig. 10b gerade freigelegt, während die linke Öffnung 55b zwar freigelegt ist, aber eine unerwünschte Spitzenkontur ausbildet. Die rechts liegende Öffnung 55c ist schließlich noch im Substrat 54 vergraben und daher nur mit Hilfe einer wesentlich längeren Ätzdauer im Vergleich zur Öffnung 55b freilegbar, wodurch sich unterschiedlich große Öffnungsquerschnitte ergeben können. Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dagegen ein Endprodukt nach Fig. 10c mit Durchgängen bzw. Schlitzen 58 erhalten, die nicht nur im wesentlichen gleiche Geometrien und Größen aufweisen, sondern zusätzlich zu den Durchgängen bzw. Schlitzen 58 auch keine weiteren Strukturen aufweisen. Auch deshalb ist das Substrat 41 nach Fig. 9f besonders gut als Kalibrierstandard geeignet. Außerdem ist in diesem Zusammenhang vorteilhaft, daß in Fig. 10c die Strukturen nicht unterschiedlich weit aus der Unterseite des Substrats 54 herausragen, was für eine Anwendung als Kalibrierstandard nicht akzeptabel wäre. Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die Öffnungsgrößen dagegen weitgehend unabhängig von einer Dickenvariation des Substrats und/oder der aufgebrachten Schicht 56.A further essential advantage of the invention results from FIG. 10. In FIG. 10a is a substrate 54 with a typical thickness variation TTV (total thickness variation) of approx. 1 to 10 μm and a plurality of openings 55 in a thermally applied SiO 2 - Layer 56 shown. If attempts were made to expose the openings 56 from the underside 57 of the substrate 54 by etching with KOH or the like (DE 199 26 601 A1), then an end product according to FIG. 10b would be obtained in which not all openings 56 were exposed at the same time are. Rather, for example, the opening 55a in the middle of FIG. 10b is just exposed, while the left opening 55b is exposed, but forms an undesired tip contour. The opening 55c on the right is finally buried in the substrate 54 and can therefore only be exposed with the aid of a significantly longer etching time compared to the opening 55b, which can result in opening cross sections of different sizes. When using the method according to the invention, on the other hand, an end product according to FIG. 10c with passages or slots 58 is obtained, which not only have essentially the same geometries and sizes, but also have no further structures in addition to the passages or slots 58. For this reason too, the substrate 41 according to FIG. 9f is particularly well suited as a calibration standard. In this context, it is also advantageous that in FIG. 10c the structures do not protrude differently from the underside of the substrate 54, which would not be acceptable for use as a calibration standard. By contrast, when using the method according to the invention, the opening sizes are largely independent of a thickness variation of the substrate and / or the applied layer 56.
Die Ausbildung der anhand der Fig. 1 und 7 beschriebenen, für das erfindungsgemäße Verfahren notwendigen Graben- bzw. Pyramidenstruktur in Siliciumsubstraten mit (001) - Oberflächen ist dem Fachmann allgemein bekannt. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird in diesem Zusammenhang z.B. auf die Druckschriften DE 41 26 151 AI, DE 42 02 447 AI, US 5 116 462 A und US 5 399 232 A verwiesen, die hiermit durch Referenz auf sie zum Gegenstand der vorliegenden Offenbarung gemacht werden. Die anhand eines mit einer SiO2-Schicht bedeckten Siliciumsubstrats beschriebene Erfindung kann in analoger Weise auch mit anderen Substraten, z.B. solchen aus Germanium, Indiumphosphid oder Galliumarsenid, und in entsprechender Abwandlung auch mit anderen als SiO2-Schichten angewendet werden. Ein Unterschied besteht dabei in Abhängigkeit vom Halbleitermaterial allenfalls in den unterschiedlichen Öffnungswinkeln der Gräben bzw. inversen Pyramiden und/oder wie z.B. bei Anwendung von Galliumarsenid darin, daß nur zweiseitig begrenzte Gräben analog zu Fig. lb, aber keine inversen, auf vier Seiten begrenzten Pyramidenstrukturen analog zu Fig. 2b herstellbar sind.The formation of the trench or pyramid structure described in FIGS. 1 and 7, which is necessary for the method according to the invention, in silicon substrates with (001) surfaces is generally known to the person skilled in the art. To avoid repetition, reference is made in this connection, for example, to the publications DE 41 26 151 AI, DE 42 02 447 AI, US 5 116 462 A and US 5 399 232 A, which are hereby made the subject of the present disclosure by reference to them , The invention described on the basis of a silicon substrate covered with an SiO 2 layer can also be used in an analogous manner with other substrates, for example those made of germanium, indium phosphide or gallium arsenide, and with a corresponding modification also with layers other than SiO 2 . The only difference, depending on the semiconductor material, is the different opening angles of the trenches or inverse pyramids and / or, for example, when using gallium arsenide, that only trenches limited on two sides are analogous to Fig. 1b, but no inverse pyramid structures limited on four sides can be produced analogously to FIG. 2b.
Weiterhin ist klar, daß u.U. auch andere Strukturierungen möglich und andere als die beschriebenen Plasma-Ätzverfahren zur Herstellung der Öffnungen 10, 33 usw. anwendbar sind. Für die Zwecke der Erfindung bedeutsam ist einerseits, daß ein strukturiertes Substrat, das auch aus einem mehrere Schichten enthaltenden Schichtensystem bestehen könnte, auf wenigstens einer Breitseite und zumindest im Bereich der Strukturen mit einer Schicht belegt wird, die aus einem geeigneten, d.h. eine nutzbare Ätzraten- Winkelverteilung aufweisenden Material bzw. einer Materialzusammensetzung besteht und in einer geeigneten Dicke aufgebracht wird, wobei das Wort "Schicht" auch Schichtsysteme einschließt, die aus mehreren Einzelschichten und/oder Materialzusammensetzungen zusammengesetzt sind. Andererseits geht die Erfindung davon aus, daß zur Herstellung der Öffnungen 10, 33 ein geeignetes Plasma-Ätzverfahren, insbesondere ein reaktives Ionenätzverfahren angewendet wird, bei dem chemische und physikalische Ätzmechanismen kombiniert werden. Durch Vorgabe geeigneter Ätzgase und geeigneter Plasmaätzparameter (Druck, Temperatur, eingekoppelte Leistung, Frequenz des Generators, Vorspannung etc.) kann der jeweilige Anteil verstärkt oder geschwächt werden. Dies hat zur Folge, daß die erzielbare Ätzrate der Maskierungsschicht insbesondere von der Orientierung der Oberlächenstrukturen abhängig wird und durch die Variation der oben genannten Plasma-Ätzparameter angepaßt werden kann. Es kann also durch Adaption des Plasma- Ätzprozesses oder durch Variation der Oberflächenstruktur erreicht werden, daß die Ätzrate für die Maskierungsschicht auf den Seitenwänden (z.B. 8 in Fig. 1) deutlich kleiner als diejenige am Apex (z.B. 9 in Fig. 1) ausfällt, da dessen Orientierung und somit die zugehörige Ätzrate verschieden ist. Da außerdem der Apexbereich erfindungsgemäß spitz zulaufend gewählt wird, was auch Vertiefungen in der Form eines auf der Spitze stehenden Kegels od. dgl. einschließt, sind die erhaltenen Öffnungen (z.B. 10 in Fig. 1) extrem klein und gut reproduzierbar. Vorteilhaft ist auch, daß die Öffnungen 10, 33, 47 aus einer großen Struktur (z.B. Fig. la, Fig. 7a, Fig. 9b) zwangsgeführt, d.h. selbstjustierend am spitz zulaufenden Boden (Linie oder Punkt) der jeweiligen Struktur entstehen, wobei auch die Herstellung von bogenförmigen Öffnungen denkbar wären.Furthermore, it is clear that other structuring may also be possible and that plasma etching processes other than those described can be used to produce the openings 10, 33, etc. For the purposes of the invention it is important, on the one hand, that a structured substrate, which could also consist of a layer system containing several layers, is covered on at least one broad side and at least in the area of the structures with a layer which consists of a suitable, ie a usable etching rate - Angular distribution material or a material composition and is applied in a suitable thickness, the word "layer" also includes layer systems which are composed of several individual layers and / or material compositions. On the other hand, the invention assumes that a suitable plasma etching method, in particular a reactive ion etching method, is used to produce the openings 10, 33, in which chemical and physical etching mechanisms are combined. By specifying suitable etching gases and suitable plasma etching parameters (pressure, temperature, coupled power, frequency of the generator, bias voltage, etc.), the respective proportion can be strengthened or weakened. As a result, the achievable etching rate of the masking layer depends in particular on the orientation of the surface structures and can be adapted by varying the plasma etching parameters mentioned above. It can thus be achieved by adapting the plasma etching process or by varying the surface structure that the etching rate for the masking layer on the side walls (for example 8 in FIG. 1) is significantly lower than that on the apex (for example 9 in FIG. 1). since its orientation and thus the associated etching rate is different. Since, moreover, the apex area according to the invention is selected to be tapered, which also includes depressions in the form of a cone standing on the tip or the like, the openings obtained (for example 10 in FIG. 1) are extremely small and easily reproducible. It is also advantageous that the openings 10, 33, 47 of a large structure (for example Fig. La, Fig. 7a, Fig. 9b) are positively guided, ie self-adjusting at the tapered bottom (line or point) of the respective structure, whereby also the production of arcuate openings would be conceivable.
Ein weiteres wichtiges Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Öffnungen 10, 33, 47 noch in Anwesenheit des Substrats 1, 41 erzeugt werden und die Schicht 7, 42 daher mit den bereits vorhandenen Öffnungen 10, 33, 47 zur Definition kleinerer Strukturen im Substrat 1, 41 benutzt werden kann. Alternativ zu den beschriebenen Kanälen 19, Gruben 34 oder Schlitzen 52 könnte z.B. eine weitere Funktionsschicht auf die oberste Schicht aufgebracht werden, um durch die Öffnung bzw. die tiefer geätzte Struktur hindurch einen extrem kleinen Kontakt zum Substrat oder zu einer noch nicht durchätzten Schicht im Schichtsystem herzustellen.Another important feature of the invention is that the openings 10, 33, 47 are still produced in the presence of the substrate 1, 41 and the layer 7, 42 therefore with the already existing openings 10, 33, 47 for defining smaller structures in the substrate 1, 41 can be used. As an alternative to the channels 19, pits 34 or slots 52 described, e.g. a further functional layer can be applied to the uppermost layer in order to make extremely small contact with the substrate or with a layer in the layer system that has not yet been etched through through the opening or the deeper etched structure.
Weiterhin könnte zusätzliches Material zur Verringerung des Kanal-, Schlitz- oder Grubenquerschnitts durch verschiedenste Depositionsprozesse eingebracht werden. Im Fall von Silicium geschieht dies vorteilhaft durch thermische Oxidation, da bei der Oxidation eines Siliciumatoms zum Siliciumdioxidmolekül sein Volumen um einen Faktor 2,25 steigt und somit der lichte Öffnungsquerschnitt reduziert bzw. vollständig geschlossen werden kann. Damit ist generell auch die Realisierung optischer Wellenleiter und anderer Strukturen in der Tiefe der Siliciumstruktur möglich.Furthermore, additional material for reducing the channel, slot or pit cross section could be introduced through a wide variety of deposition processes. In the case of silicon, this is advantageously done by thermal oxidation, since when a silicon atom is oxidized to form the silicon dioxide molecule, its volume increases by a factor of 2.25 and the clear cross section of the opening can thus be reduced or completely closed. This generally enables the implementation of optical waveguides and other structures in the depth of the silicon structure.
Fig. 11a bis lle zeigen eine solche Möglichkeit, ausgehend von dem in Fig. 9d erreichten Zustand. Nach Entfernung der SiO2-Schicht (Fig. 11b) wird eine Schicht 59 aufgebracht, die auch die Gruben oder Kanäle 52 teilweise füllt. Im Anschluß daran wird das Substrat 41 zumindest teilweise von seiner Rückseite her durch Ätzen entfernt (Fig. l ld), und im letzten Schritt wird dann der am Boden der Grube oder des Kanals 48 befindliche Teil der Schicht 59 von der Rückseite her durch Ätzen, geöffnet (Fig. lle), wodurch an der Unterseite der verbleibenden Struktur ein rohrstutzenartiger Ansatz 60 mit einem extrem kleinen Durchmesser stehen bleibt.11a to 1le show such a possibility, starting from the state reached in FIG. 9d. After removal of the SiO 2 layer (FIG. 11b), a layer 59 is applied, which also partially fills the pits or channels 52. Subsequently, the substrate 41 is at least partially removed from its rear side by etching (FIG. 1 ld), and in the last step the part of the layer 59 located at the bottom of the pit or the channel 48 is then etched from the rear side, opened (Fig. lle), whereby on the underside of the remaining structure a pipe socket-like approach 60 with an extreme small diameter remains.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, die auf vielfache Weise abgewandelt werden können. Nach einer Ausgestaltung der Erfindung kann auf die Schichten 7, 42 mit der Öffnungsstruktur eine beliebige andere Schicht, z.B. eine Halbleiterschicht, Metallschicht (insbesondere Aluminium), dielektrische Schicht oder supraleitende Schicht, ferner eine leitfähige oder nicht leitfähige Polymerschicht oder ein Schichtsystem aus einer Kombination dieser Schichten aufgebracht werden.The invention is not limited to the exemplary embodiments described, which can be modified in many ways. According to one embodiment of the invention, any other layer, e.g. a semiconductor layer, metal layer (in particular aluminum), dielectric layer or superconducting layer, furthermore a conductive or non-conductive polymer layer or a layer system composed of a combination of these layers.
Die Erfindung betrifft mit besonderem Vorteil femer auch eine Verwendung einer Öffnung, die dadurch gekennzeichnet ist, daß das Schichtmaterial mit der Öffnung insbesondere im vorderen Teil eines einseitig eingespannten Biegebalkens, insbesondere eines sog. Cantilevers integriert ist (z.B. US 5 116 462 A, US 5 399 232 A). Dabei besteht eine vorteilhafte Ausgestaltung der Verwendung darin, daß ein einzelner Biegebalken oder eine Mehrzahl von Biegebalken in einer Matrixanordnung insbesondere in der Rastersondenmikroskopie als Sensorelelmente eingesetzt wird. Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, daß durch die Deposition einer dünnen, optisch wenig transparenten Schicht der oder die Biegebalken für die simultane Rasterkraftmikroskopie (AFM, SFM) und die optische Rasternahfeldmikroskopie (SNOM) eingesetzt werden können, wobei bei einer Beleuchtung der Öffnung von der Oberfläche der Schicht aus die Öffnung als miniaturisierte Quelle (Illumination mode) eingesetzt werden kann oder durch die Öffnung selbst die Lichtleistung von einer beleuchteten Probe aufgenommen wird (collection mode). Durch sequentielle Deposition von Materialen wie z.B. Metallen, Halbleitern, organischen Materialen od. dgl. auf die Vorder- und/oder Rückseite des Substrats kann femer eine mimaturisierte Kontaktstelle an der Stelle der Apertur erhalten werden.The invention also particularly advantageously relates to the use of an opening, which is characterized in that the layer material is integrated with the opening, in particular in the front part of a bending beam clamped on one side, in particular a so-called cantilever (for example US 5 116 462 A, US 5 399 232 A). An advantageous embodiment of the use consists in the fact that a single bending beam or a plurality of bending beams are used as sensor elements in a matrix arrangement, in particular in scanning probe microscopy. It has proven to be advantageous that the deposition of a thin, optically less transparent layer allows the bending beam or beams to be used for simultaneous atomic force microscopy (AFM, SFM) and optical scanning near-field microscopy (SNOM), with the opening being illuminated by the surface of the layer from the opening can be used as a miniaturized source (Illumination mode) or through the opening itself the light output is recorded by an illuminated sample (collection mode). By sequential deposition of materials such as Metals, semiconductors, organic materials or the like on the front and / or back of the substrate can furthermore be provided with a mimaturized contact point at the location of the aperture.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, daß eine matrixförmige Anordnung einer oder mehrerer Öffnungen auf planen Substraten oder auf strakturierten Oberflächen (z.B. Cantilevern) zur Dosierung und/oder Injektion von exakten, sehr kleinen Flüssig- keits- oder Gasmengen eingesetzt wird. Ein Beispiel für eine solche Straktur ist in Fig. 12 dargestellt. Hier wird, analog z. B. zu dem in Fig. 7c erreichten Zustand, zunächst eine Struktur 61 mit einem eine Öffnung 33 aufweisenden Spitzenabschnitt 31 hergestellt, der an einem Ende eines Biegebalkens 62 angeordnet ist, der am anderen Ende entsprechend der üblichen Cantilever-Bauweise in eine Halterung od. dgl. eingespannt werden kann (Fig. 12a). Durch zumindest teilweises Ätzen des Substrats 1 von der Rückseite her kann die Dicke des Biegebalkens im erwünschten Umfang reduziert und der Spitzenabschnitt 31 analog zu Fig. lle freigelegt werden.A further advantageous embodiment consists in the fact that a matrix-like arrangement of one or more openings on flat substrates or on structured surfaces (eg cantilevers) is used for metering and / or injecting exact, very small amounts of liquid or gas. An example of such a structure is shown in FIG. 12. Here, analog. B. to the state reached in Fig. 7c, first one Structure 61 is produced with a tip section 31 having an opening 33, which is arranged at one end of a bending beam 62, which can be clamped into a holder or the like at the other end in accordance with the customary cantilever construction (FIG. 12a). By at least partially etching the substrate 1 from the rear, the thickness of the bending beam can be reduced to the desired extent and the tip section 31 can be exposed analogously to FIG.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 11 ermöglicht eine Vielzahl von weiteren Anwendungen. Werden die durch Ätzen erzeugten Gruben oder Kanäle 48 52 gemäß Fig. 9 oder 11 ganz oder teilweise durch das Substrat 41 erstreckt und anschließend mit einem transparenten und/oder dielektrischen Material wie z. B. SiO2, einem Polymer od. dgl. gefüllt, werden optische analog zu optischen Faserkabeln nutzbare Wellenleiter-Strukturen erhalten, die es ermöglichen, optische und optoelektronische Bauelemente in der zum Substrat senkrechten Dimension zu verbinden.The exemplary embodiment according to FIG. 11 enables a large number of further applications. 9 or 11, the pits or channels 48 52 produced by etching are wholly or partly extended through the substrate 41 and then coated with a transparent and / or dielectric material such as. B. SiO 2 , a polymer. Like. Filled, optical waveguide structures usable analogous to optical fiber cables are obtained, which enable optical and optoelectronic components to be connected in the dimension perpendicular to the substrate.
Analog dazu können die Kanäle auch mit leitfähigen Materialien (Metallen, leitfähigen Polymeren, halbleitenden Materialien usw.) gefüllt werden, um so Durchkontaktierungen (via throughs) herzustellen. Werden diese nur teilweise gefüllt, so ergeben sich Hohlwellenleiter, die für elektrische und optische Anwendungen interessant sind. Denkbar ist schließlich auch eine Kombination dieser Materialien. Werden die Graben oder Kanäle mit leitfähigem Material und dann mit einem dielektrischen Material beschichtet und danach die freibleibenden Volumina mit leitfähigem Material ausgefüllt, so wird eine in der Elektrotechnik wohlbekannte Koaxialleitung erhalten, die insbesondere für Hochfrequenzanwendungen interessant ist. Die Erfindung ermöglicht somit insbesondere auch die Schaffung von Bauelementen, die zur elektronischen und/oder optischen Übertragung von Signalen geeignet sind.Analogously, the channels can also be filled with conductive materials (metals, conductive polymers, semiconducting materials, etc.) in order to produce vias. If these are only partially filled, hollow waveguides result which are interesting for electrical and optical applications. Finally, a combination of these materials is also conceivable. If the trenches or channels are coated with conductive material and then with a dielectric material and then the remaining volumes are filled with conductive material, a coaxial line is obtained which is well known in electrical engineering and which is of particular interest for high-frequency applications. The invention thus in particular also enables the creation of components which are suitable for the electronic and / or optical transmission of signals.
Weiter kann das erfindungsgemäße Verfahren anstatt auf Vertiefungen, die in einer idealen Spitze enden, auch auf Vertiefungen angewendet werden, die einen V-förmigen Graben mit einem plateauförmigen Boden aufweisen oder nach Art eines inversen Pyramidenstumpfs ausgebildet sind, indem z.B. der zur Herstellung der Strukturen durchgeführte Ätzvorgang vor Erreichen der eigentlichen Spitze abgebrochen wird. Der oben und in den Ansprüchen verwendete Ausdruck "spitz zulaufend" soll derartige Plateauformen einschließen. Weiter ist es möglich, das Substrat oder nach dessen Entfernung die verbleibende dünne Schicht 7, 42 an der Ober- und/oder Unterseite mit einer Metallschicht zu versehen. Dadurch besteht die Möglichkeit, die bereits vorhandenen Öffnungen gezielt zu verkleinern. Gleichzeitig sorgt die Metallschicht auch für eine Verbesserung der optischen Eigenschaften eines mit einer solchen Öffnung versehenen Sensors für ein Nahfeldmikroskop. Bei Entfernung des Substrats 1, 41 von der Rückseite der Schichten 7, 42 her mit bekannten Verfahren können in sehr dünnen Schichten 7, 42 Spitzenstrukturen mit extrem kleinen Öffnungen an ihrem Apex erhalten werden. Werden größere Öffnungen gewünscht, so können die erhaltenen Öffnungen entweder vor oder nach dem Entfernen des Substrats durch einen weiteren Ätzprozess gezielt vergrößert werden. Durch dieses Verfahren lassen sich daher miniaturisierte Öffnungen definierter Größe auf dem ganzen Substrat erzeugen. Weiter können die graben- oder pyramidenförmigen Strukturen auch durch andere als die beschriebenen Verfahren hergestellt werden, z.B. mit Hilfe von chemischen oder elektrochemischen Ätzprozessen, Ionenstrahlätzprozessen oder auch durch mechanische Indentation. Außerdem könnten anstelle von KOH auch z. B. NaOH, LiOH od. dgl. oder organische Lösungen angewendet werden. Schließlich versteht sich, daß die verschiedenen Merkmale auch in anderen als den dargestellten und beschriebenen Kombinationen angewendet werden können. Furthermore, the method according to the invention can also be applied to depressions which have a V-shaped trench with a plateau-shaped bottom or are designed in the manner of an inverse truncated pyramid, for example, instead of depressions which end in an ideal tip, for example by the one carried out for producing the structures Etching process is stopped before reaching the actual tip. The term "tapering" used above and in the claims is intended to include such plateaus. It is also possible to provide the substrate or, after its removal, the remaining thin layer 7, 42 on the top and / or bottom with a metal layer. This makes it possible to specifically reduce the existing openings. At the same time, the metal layer also improves the optical properties of a sensor provided with such an opening for a near-field microscope. When the substrate 1, 41 is removed from the back of the layers 7, 42 using known methods, tip structures with extremely small openings on their apex can be obtained in very thin layers 7, 42. If larger openings are desired, the openings obtained can be enlarged in a targeted manner either before or after the removal of the substrate by a further etching process. This method therefore enables miniaturized openings of a defined size to be produced on the entire substrate. Furthermore, the trench or pyramid-shaped structures can also be produced by methods other than those described, for example with the aid of chemical or electrochemical etching processes, ion beam etching processes or also by mechanical indentation. In addition, z. B. NaOH, LiOH or the like. Or organic solutions can be used. Finally, it goes without saying that the various features can also be used in combinations other than those shown and described.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Verfahren zur Herstellung wenigstens einer kleinen Öffnung (10,33,47) in einer Schicht auf einem Substrat (1,41), insbesondere einem Halbleitersubstrat, wobei das Substrat1. A method for producing at least one small opening (10, 33, 47) in a layer on a substrate (1.41), in particular a semiconductor substrate, the substrate
(1.41) auf der Oberseite (2) mit wenigstens einer spitz zulaufenden, einen Spitzenabschnitt (4) und Seitenwände (5) aufweisenden Vertiefung (6) versehen, die Oberseite (2) des Substrats (1,41) zumindest im Bereich der Vertiefung (6) mit einer Schicht (7,42) aus einem ätzbaren Material belegt und die Öffnung (10,33,47) dann im Bereich des Spitzenabschnitts (4) der Vertiefung (6) durch Ätzen der Schicht (7,42) hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (10,33,47) mittels eines auf das Material der Schicht(1.41) on the top (2) with at least one tapered recess (6) with a tip section (4) and side walls (5), the top (2) of the substrate (1,41) at least in the region of the recess ( 6) coated with a layer (7.42) made of an etchable material and the opening (10.33.47) is then produced in the region of the tip section (4) of the recess (6) by etching the layer (7.42), characterized in that the opening (10,33,47) by means of a on the material of the layer
(7.42) abgestimmten, anisotropen Plasma-Ätzverfahrens von der Oberseite (2) her durch selektives Öffnen der Schicht (7,42) hergestellt wird, indem das Material, die Ätzgase und die Ätzparameter so gewählt werden, daß sich im Bereich eines dem Spitzenabschnitt (4) des Substrats (1,41) aufliegenden Spitzenabschnitts (9,31) der Schicht (7,42) der Vertiefung (6,30) eine größere Ätzrate als im Bereich von den Seitenwänden (5) des Substrats (1,41) aufliegenden Seitenwänden (8,32) der Schicht (7,42) ergibt.(7.42) coordinated, anisotropic plasma etching process from the upper side (2) by selectively opening the layer (7,42) by selecting the material, the etching gases and the etching parameters so that in the area of the tip section ( 4) of the substrate (1.41) lying on top portion (9.31) of the layer (7.42) of the recess (6.30) has a greater etching rate than in the region of the side walls (5) of the substrate (1.41) Sidewalls (8.32) of the layer (7.42) results.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Substrat (1,41) Silicium und als Material der Schicht (7,42) Siliciumdioxid verwendet wird.2. The method according to claim 1, characterized in that silicon is used as the substrate (1.41) and as the material of the layer (7.42).
3. Verfahren nach Ansprach 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Siliciumsubstrat (1,41) mit einer (001) - Fläche als Oberseite verwendet wird.3. The method according spoke 2, characterized in that a silicon substrate (1.41) with a (001) - surface is used as the top.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasma- Ätzverfahren unter Anwendung von Argon und Trifluormethan durchgeführt wird.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the plasma etching process is carried out using argon and trifluoromethane.
5. Verfahren nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Substrat Germanium, Galliumarsenid oder Indiumphosphid verwendet wird.5. The method according spoke 1, characterized in that germanium, gallium arsenide or indium phosphide is used as the substrate.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1,41) im Anschluß an die Herstellung der Öffnung (10,33,47) unter Anwendung der Schicht (7,42) als Ätzmaske einem Tiefatzschritt unterworfen wird.6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the substrate (1,41) following the production of the opening (10,33,47) using the Layer (7.42) as an etching mask is subjected to a deep etching step.
7. Verfahren nach Ansprach 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (41) durch das Tiefatzen mit einer durchgehenden Öffnung (52) versehen wird.7. The method according spoke 6, characterized in that the substrate (41) is provided by deep-etching with a continuous opening (52).
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (41) auf der Oberseite mit einer Mehrzahl von graben- und/oder pyramidenförmigen Vertiefungen (43,44,45) und einer diese abdeckenden Schicht (42) versehen wird und daß in der Schicht (42) unter Anwendung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5 eine entsprechende Mehrzahl von Öffnungen (47) ausgebildet wird.8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the substrate (41) on the upper side with a plurality of trench and / or pyramid-shaped depressions (43,44,45) and a covering layer (42) and that a corresponding plurality of openings (47) is formed in the layer (42) using the method according to one or more of claims 1 to 5.
9. Verfahren nach Ansprach 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat unter Anwendung eines Tiefätzschritts und der Schicht (42) als Maske mit einer entsprechenden Mehrzahl von durchgehenden Öffnungen (52) versehen wird.9. The method according spoke 8, characterized in that the substrate is provided using a deep etching step and the layer (42) as a mask with a corresponding plurality of through openings (52).
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Substrat (1,41) eine planparallele Scheibe verwendet werden.10. The method according to any one of claims 1 to 9, characterized in that a plane-parallel disk are used as the substrate (1.41).
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest auf einem Rand wenigstens eine Öffnung in einem nachfolgenden Verfahrensschritt eine weitere Schicht mit vorgewählten Eigenschaften aufgebracht wird.11. The method according to any one of claims 1 to 10, characterized in that at least on an edge at least one opening in a subsequent process step, a further layer with preselected properties is applied.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Öffnung in einem freien Abschnitt eines einseitig eingespannten Biegebalkens ausgebildet wird.12. The method according to any one of claims 1 to 11, characterized in that at least one opening is formed in a free portion of a cantilever clamped on one side.
13. Kalibrierstandard für die Rastersondenmikroskopie, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem planparallelen Substrat (41) mit einer Mehrzahl von durchgehenden Öffnungen (52) besteht, die mit dem Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11 hergestellt sind. 13. Calibration standard for scanning probe microscopy, characterized in that it consists of a plane-parallel substrate (41) with a plurality of through openings (52) which are produced by the method according to one or more of claims 1 to 11.
14. Mikromechanischer Sensor mit einem einseitig eingespannten Biegebalken (62), der an einem freien Ende mit einer Spitze versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze (31) eine Öffnung (33) aufweist, die nach dem Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11 hergestellt ist.14. Micromechanical sensor with a cantilever beam (62), which is provided at one free end with a tip, characterized in that the tip (31) has an opening (33) according to the method according to one or more of the claims 1 to 11 is made.
15. Bauelement zur elektrischen/optischen Übertragung von elektrischen/optischen Signalen, dadurch gekennzeichnet, daß es nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11 hergestellt ist, wobei die Öffnungen (52) mit einem leitfähigen oder dielektrischen Material gefüllt sind. 15. Component for electrical / optical transmission of electrical / optical signals, characterized in that it is produced by the method according to one of claims 9 to 11, wherein the openings (52) are filled with a conductive or dielectric material.
EP03783954A 2002-08-05 2003-08-04 Method for producing at least one small opening in a layer on a substrate and components produced according to said method Withdrawn EP1527012A2 (en)

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