JPH03104136A - 超微細シリコン・テイツプを形成する方法 - Google Patents
超微細シリコン・テイツプを形成する方法Info
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- JPH03104136A JPH03104136A JP2205329A JP20532990A JPH03104136A JP H03104136 A JPH03104136 A JP H03104136A JP 2205329 A JP2205329 A JP 2205329A JP 20532990 A JP20532990 A JP 20532990A JP H03104136 A JPH03104136 A JP H03104136A
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
- G01Q60/00—Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
- G01Q60/24—AFM [Atomic Force Microscopy] or apparatus therefor, e.g. AFM probes
- G01Q60/38—Probes, their manufacture, or their related instrumentation, e.g. holders
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- G—PHYSICS
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- G—PHYSICS
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- G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
- G01Q70/00—General aspects of SPM probes, their manufacture or their related instrumentation, insofar as they are not specially adapted to a single SPM technique covered by group G01Q60/00
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- Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10S977/00—Nanotechnology
- Y10S977/84—Manufacture, treatment, or detection of nanostructure
- Y10S977/849—Manufacture, treatment, or detection of nanostructure with scanning probe
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- Y10S977/878—Shape/taper
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- Physics & Mathematics (AREA)
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- Micromachines (AREA)
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
- Testing Or Measuring Of Semiconductors Or The Like (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
Ａ．産業上の利用分野
本発明は、原子間力顕微鏡または走査トンネル顕微鏡の
プロフィル測定、たとえば、将来の半導体技術における
深いトレンチのプロフィル測定用に、微細機械加工によ
りシリコン基板上に超微細シリコン・ティップを製造す
る方法に関するものである。
プロフィル測定、たとえば、将来の半導体技術における
深いトレンチのプロフィル測定用に、微細機械加工によ
りシリコン基板上に超微細シリコン・ティップを製造す
る方法に関するものである。
Ｂ．従来の技術
走査トンネル顕微鏡（以下ＳＴＭと略す）は、微細ティ
ップの使用に基づく材料の微細特性を明らかにする新し
い方法の開発の端緒となった。これらの方法の１つに、
最近、導体および絶縁体のプロフィルを測定し作像する
能力が証明された原子間力顕微鏡（以下ＡＦＭと略す）
がある。
ップの使用に基づく材料の微細特性を明らかにする新し
い方法の開発の端緒となった。これらの方法の１つに、
最近、導体および絶縁体のプロフィルを測定し作像する
能力が証明された原子間力顕微鏡（以下ＡＦＭと略す）
がある。
ＡＦＭの初期の設計（Ｇ． ビニング（Ｂｉｎｎｉｎｇ
）、ＣＦ．クエート（Ｑｕａｔｅ）、Ｃｈ．ガーバー（
Ｇｅｒｂｅｒ）） 、ｒ原子間力顕微鏡（Ａｔｏｍｉｃ
Ｆｏｒｃｅ旧ｃｒｏｓｃｏｐｅ）Ｊ ｓ Ｐｈｙｓ．
Ｒｅｖ． Ｌｅｔｔ．１５ Ｂ１１ ９８６年、！）
ｐ．９３０〜９３３、および欧州特許明細書第２２３９
１８号）では、１端で強固に取り付けられ、自由端で誘
電体ティップを支持するスプリング状のカンチレパーか
らなるセンサが、物体の表面プロフィルを測定する。物
体の表面とティップの間の力がカンチレバーを湾曲させ
、この湾曲を、たとえばＳＴＭの一部である第２のティ
ップで正確に測定することができる。当初、３ｎｍの横
方向空間解像度が得られている。
）、ＣＦ．クエート（Ｑｕａｔｅ）、Ｃｈ．ガーバー（
Ｇｅｒｂｅｒ）） 、ｒ原子間力顕微鏡（Ａｔｏｍｉｃ
Ｆｏｒｃｅ旧ｃｒｏｓｃｏｐｅ）Ｊ ｓ Ｐｈｙｓ．
Ｒｅｖ． Ｌｅｔｔ．１５ Ｂ１１ ９８６年、！）
ｐ．９３０〜９３３、および欧州特許明細書第２２３９
１８号）では、１端で強固に取り付けられ、自由端で誘
電体ティップを支持するスプリング状のカンチレパーか
らなるセンサが、物体の表面プロフィルを測定する。物
体の表面とティップの間の力がカンチレバーを湾曲させ
、この湾曲を、たとえばＳＴＭの一部である第２のティ
ップで正確に測定することができる。当初、３ｎｍの横
方向空間解像度が得られている。
他のＡＦＭでは、ＳＴＭ検出の代りに光学的検出を用い
ている。このＡＦＭでは、針金の先端のタングステン・
ティップが、圧電トランスジューサに取り付けられてい
る。トランスジューサで、カンチレバーとして機能する
針金の共振周波数でティップを振動させ、レーザ・ヘテ
ロダイン干渉計でａ．Ｃ．振動の振幅を正確に測定する
。ティップとサンプルとの間の力の勾配がレバーのコン
ブライアンスを変更し、これにより、レバーの共振のシ
フトによる振幅の変化を引き起こす。レバーの特性がわ
かれば、振幅をティップとサンプルの間隔の関数として
測定して、力の勾配を、したがって力そのものを求める
ことができる（ＵＴ．デュリッヒ（Ｄｕｅｒｉｇ） 、
Ｊ Ｋ．ジムゼウスキー（Ｇｉｍｚｅｗｓｋｉ） Ｘ
ＤＷ．ポール（Ｐｏｈｌ） ） 、ｒ ｝冫ネル顕微鏡
の走査中に作用する力の実験的観察（Ｅｘｐｅｒｉｍｅ
ｎｔａｌ Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｏｆ Ｆｏｒｃｅ
ｓ ＡｃｔｉｎｇＤｕｒｉｎｇ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔ
ｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ） Ｊ １Ｐ
ｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｌｅｔｔ．、５ ７、１９８６年
、ｐｐ．２４０３ 〜２４０Ｂ、およびＹ．マーチン（
Ｍａｒｔｉｎ）、ＣＣ．ウィリアムス（Ｗｉｌｌｉａｍ
ｓ） 、Ｈ Ｋ ．ヴイクラマシンゲ（Ｗｉｃｋｒａｍ
ａｓｉｎｇｈｅ）、「原子間力顕微鏡による１００オン
グストローム以下のマッピングおよびプロフィル測定（
Ａｔｏｍｉｃ ＦｏｒｃｅＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ−Ｆｏ
ｒｃｅ Ｍａｐｐｉｎｇ ａｎｄ Ｐｒｏｆｉｌ
ｉｎｇ ｏｎ ａｓｕｂ １００一人Ｓｃａｌｅ）Ｊ
、Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ．、６１（１０）、１
９８７年、ｐｐ．４７２３〜４７２９）。
ている。このＡＦＭでは、針金の先端のタングステン・
ティップが、圧電トランスジューサに取り付けられてい
る。トランスジューサで、カンチレバーとして機能する
針金の共振周波数でティップを振動させ、レーザ・ヘテ
ロダイン干渉計でａ．Ｃ．振動の振幅を正確に測定する
。ティップとサンプルとの間の力の勾配がレバーのコン
ブライアンスを変更し、これにより、レバーの共振のシ
フトによる振幅の変化を引き起こす。レバーの特性がわ
かれば、振幅をティップとサンプルの間隔の関数として
測定して、力の勾配を、したがって力そのものを求める
ことができる（ＵＴ．デュリッヒ（Ｄｕｅｒｉｇ） 、
Ｊ Ｋ．ジムゼウスキー（Ｇｉｍｚｅｗｓｋｉ） Ｘ
ＤＷ．ポール（Ｐｏｈｌ） ） 、ｒ ｝冫ネル顕微鏡
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ｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｌｅｔｔ．、５ ７、１９８６年
、ｐｐ．２４０３ 〜２４０Ｂ、およびＹ．マーチン（
Ｍａｒｔｉｎ）、ＣＣ．ウィリアムス（Ｗｉｌｌｉａｍ
ｓ） 、Ｈ Ｋ ．ヴイクラマシンゲ（Ｗｉｃｋｒａｍ
ａｓｉｎｇｈｅ）、「原子間力顕微鏡による１００オン
グストローム以下のマッピングおよびプロフィル測定（
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ｒｃｅ Ｍａｐｐｉｎｇ ａｎｄ Ｐｒｏｆｉｌ
ｉｎｇ ｏｎ ａｓｕｂ １００一人Ｓｃａｌｅ）Ｊ
、Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ．、６１（１０）、１
９８７年、ｐｐ．４７２３〜４７２９）。
カンチレバーの通常の湾曲モードでは ｌ Ｑ−１２Ｎ
程度の力を検出することができる。Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ
．Ｌｅｔｔ− 、５ Ｂ 、１ ９ ８ ６年、ｐ１）
．９３０ 〜９３３に所載のビニツヒ（Ｇ． Ｂｉｎｎ
ｉｇ ）他の論文に記載されているように、センサ・ヘ
ッドの感度は、測定すべき物体をカンチレバーの共振振
動数ｆ。
程度の力を検出することができる。Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ
．Ｌｅｔｔ− 、５ Ｂ 、１ ９ ８ ６年、ｐ１）
．９３０ 〜９３３に所載のビニツヒ（Ｇ． Ｂｉｎｎ
ｉｇ ）他の論文に記載されているように、センサ・ヘ
ッドの感度は、測定すべき物体をカンチレバーの共振振
動数ｆ。
で振動させることによって、増大させることができる。
ＡＦＭで最も重要な要素は、スプリング状のカンチレバ
ーである。所与の力での湾曲を最大にする必要があるた
め、カンチレバーは最適な柔軟さのものでなければなら
ない。したがって、固有感度の高いカンチレバーのばね
定数は最小でなければならない。実際に、Ｏ．ｌｎｍ未
満程度の位置変化を検出するには、力冫チレバーのばね
定数Ｃは、約ｏ．ｏｏｔ〜ＩＮ／ｍの範囲でなければな
らない。同時に、建物からの振動ノイズの影響を最小に
するには、固有振動数の高い剛性のカンチレバーが必要
である。通常、周囲振動、主として建物ノ振動は、１０
０ヘルツ以上である。固有振動数ｆ が１０ｋＨｚ以下
となるようにカンチレ０ バーを選択すれば、周囲振動を無視できる程度に減らす
ことができる。
ーである。所与の力での湾曲を最大にする必要があるた
め、カンチレバーは最適な柔軟さのものでなければなら
ない。したがって、固有感度の高いカンチレバーのばね
定数は最小でなければならない。実際に、Ｏ．ｌｎｍ未
満程度の位置変化を検出するには、力冫チレバーのばね
定数Ｃは、約ｏ．ｏｏｔ〜ＩＮ／ｍの範囲でなければな
らない。同時に、建物からの振動ノイズの影響を最小に
するには、固有振動数の高い剛性のカンチレバーが必要
である。通常、周囲振動、主として建物ノ振動は、１０
０ヘルツ以上である。固有振動数ｆ が１０ｋＨｚ以下
となるようにカンチレ０ バーを選択すれば、周囲振動を無視できる程度に減らす
ことができる。
上記の両要件を満たすには、カンチレバーの寸法として
、微細機械加工技術でしか得られない寸法が必要である
。
、微細機械加工技術でしか得られない寸法が必要である
。
Ｃ＝０．０３４Ｎ／ｍ１ ｆ ＝２ １．１ ｋＨｚ
０ に適合するＳｉ０２カンチレバーの寸法は、たとえばｌ
＝２５０μｍ１ｗ＝９μｍｓ ｔ：ｉ．６μｍである
。こうした寸法のカンチレバーを製作する工程は、ＴＲ
．アルブレヒト（Ａｌｂｒｅｃｈｔ） 、ＣＦ．クエー
ト（Ｑｕａｔｅ） 、ｒ原子間力顕微鏡による導体およ
び非導体上の原子分解能（ＡｔｏｍｉｃＲｅｓｏｌｕｔ
ｉｏｎ ｗｉｔｈ ｔｈｅ Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ
Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅｏｎ Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ
ａｎｄ Ｎｏｎｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ） Ｊ Ｎ Ｊ．
Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．、Ａ ８ （ ２
） 、１ ９ ８ ８年３月／４月、ｐｐ．２７１〜
２７４に記載されている。
０ に適合するＳｉ０２カンチレバーの寸法は、たとえばｌ
＝２５０μｍ１ｗ＝９μｍｓ ｔ：ｉ．６μｍである
。こうした寸法のカンチレバーを製作する工程は、ＴＲ
．アルブレヒト（Ａｌｂｒｅｃｈｔ） 、ＣＦ．クエー
ト（Ｑｕａｔｅ） 、ｒ原子間力顕微鏡による導体およ
び非導体上の原子分解能（ＡｔｏｍｉｃＲｅｓｏｌｕｔ
ｉｏｎ ｗｉｔｈ ｔｈｅ Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ
Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅｏｎ Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ
ａｎｄ Ｎｏｎｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ） Ｊ Ｎ Ｊ．
Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．、Ａ ８ （ ２
） 、１ ９ ８ ８年３月／４月、ｐｐ．２７１〜
２７４に記載されている。
このような微小カンチレバーの先端の尖ったティップは
、物体の表面プロフィルが測定できるように形成する必
要がある。プロフィルを測定する構造が、たとえば、５
０ｎｍを超える巨視的な深さであるなら、ティップの形
状および断面は、構造の再現の忠実さにとってきわめて
重要である。
、物体の表面プロフィルが測定できるように形成する必
要がある。プロフィルを測定する構造が、たとえば、５
０ｎｍを超える巨視的な深さであるなら、ティップの形
状および断面は、構造の再現の忠実さにとってきわめて
重要である。
Ｃ．発明が解決しようとする課題
本発明の目的は、３次元構造のプロフィル測定ができる
ような形状のティップを製造する方法を提供することに
ある。
ような形状のティップを製造する方法を提供することに
ある。
本発明の目的は、請求項１に記載の方法によって達成さ
れる。
れる。
本発明はまた、本発明の方法に従って製造した構造も含
む。
む。
マイクロプロフィル測定の分野では、トレンチ等の３次
元構造のプロフィル測定や、線幅の測定がますます重要
になっている。線幅の測定の正確さ、およびトレンチの
プロフィル測定の必要性は、主として試験する構造の勾
配角および深さによって決まる。第２図に、試験する２
種類の構造を示す。第２Ａ図は、幅Ｗ１深さｄ１勾配角
αく９０゜（正の角度）の構造、第２Ｂ図は、幅Ｗ１深
さｄ１勾配角α＞９０’ （負の角度）の構造を示す
。
元構造のプロフィル測定や、線幅の測定がますます重要
になっている。線幅の測定の正確さ、およびトレンチの
プロフィル測定の必要性は、主として試験する構造の勾
配角および深さによって決まる。第２図に、試験する２
種類の構造を示す。第２Ａ図は、幅Ｗ１深さｄ１勾配角
αく９０゜（正の角度）の構造、第２Ｂ図は、幅Ｗ１深
さｄ１勾配角α＞９０’ （負の角度）の構造を示す
。
高解像度（すなわち現寸どおりの再生）を得るには、Ａ
ＦＭのティップと物体構造の比に関して特別な要件を充
たさなければならない。第２Ｂ図の基板構造の幅Ｗが約
１μｍと仮定すると、ティップの軸の直径が１μｍより
著しく小さくなければならないことは明らかである。代
表的な構造、たとえばシリコン・メモリ・ティップの深
さは、数μｍである。これらの構造のプロフィルを測定
するには、ティップの長さは少なくとも構造の深さと同
じでなければならない。たとえば、記憶キャパシタは、
幅約０．７μｍ１深さ約６μｍであり、したがってこの
ような寸法のトレンチのプロフィルを測定するには、テ
ィップの長さはその直径の数倍なければならない。
ＦＭのティップと物体構造の比に関して特別な要件を充
たさなければならない。第２Ｂ図の基板構造の幅Ｗが約
１μｍと仮定すると、ティップの軸の直径が１μｍより
著しく小さくなければならないことは明らかである。代
表的な構造、たとえばシリコン・メモリ・ティップの深
さは、数μｍである。これらの構造のプロフィルを測定
するには、ティップの長さは少なくとも構造の深さと同
じでなければならない。たとえば、記憶キャパシタは、
幅約０．７μｍ１深さ約６μｍであり、したがってこの
ような寸法のトレンチのプロフィルを測定するには、テ
ィップの長さはその直径の数倍なければならない。
同時に、ティップは、機械的安定性が高くなければなら
ない。これは、材料自体、ティップの形状寸法、および
特に支持手段中に固定する方法の影響を受ける。上記の
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓ ｉｃ
ｓ所載のＹ．マーチン（Ｍａｒｔｉｎ）他の論文に記載
されたＡＦＭは、動的モードで使用されることが多く、
すなわち、ティップが（ｋＨｚの範囲の）高周波振動で
使用され、そのため、ティップと基板の機械的接触でテ
ィップが破壊されることがないように、高度の安定性を
有することも必要である。
ない。これは、材料自体、ティップの形状寸法、および
特に支持手段中に固定する方法の影響を受ける。上記の
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓ ｉｃ
ｓ所載のＹ．マーチン（Ｍａｒｔｉｎ）他の論文に記載
されたＡＦＭは、動的モードで使用されることが多く、
すなわち、ティップが（ｋＨｚの範囲の）高周波振動で
使用され、そのため、ティップと基板の機械的接触でテ
ィップが破壊されることがないように、高度の安定性を
有することも必要である。
本発明によれば、シリコン・テイップは、シリコン・キ
ャリアに適切にモノリシックに固定される。３次元構造
のプロフィルを測定するには、シリコン・ティップは、
アスベクト比、すなわち長さと直径の比が大きく、１を
はっきりと超えるものでなければならない。経験的、理
論的に、すべての用途に理想的なティップはないことが
わかっている。第２Ａ図および第２Ｂ図を参照して説明
したように、直径および全長に関して理想的なティップ
を得るために守るべき要件は、主としてプロフィルを測
定する構造の深さと勾配角にょうて決まる。実際に現れ
る構造のプロフィルが最も良く測定できる４種類の基本
的タイプのティップ断面を提案する。
ャリアに適切にモノリシックに固定される。３次元構造
のプロフィルを測定するには、シリコン・ティップは、
アスベクト比、すなわち長さと直径の比が大きく、１を
はっきりと超えるものでなければならない。経験的、理
論的に、すべての用途に理想的なティップはないことが
わかっている。第２Ａ図および第２Ｂ図を参照して説明
したように、直径および全長に関して理想的なティップ
を得るために守るべき要件は、主としてプロフィルを測
定する構造の深さと勾配角にょうて決まる。実際に現れ
る構造のプロフィルが最も良く測定できる４種類の基本
的タイプのティップ断面を提案する。
第３Ａ図のティップ形状は、勾配角αがαく４５° （
αはティップ尖端の角度より小さくなければならない）
と小さい構造のプロフィル測定に理想的なものである。
αはティップ尖端の角度より小さくなければならない）
と小さい構造のプロフィル測定に理想的なものである。
このようなティップは、物理的に、ティップの最先端に
検出点がｌつしかないため、像情報をＳＦＭ法によって
容易に解釈できるという利点がある。その欠点は、勾配
角の小さい構造にしか使用できないことである。
検出点がｌつしかないため、像情報をＳＦＭ法によって
容易に解釈できるという利点がある。その欠点は、勾配
角の小さい構造にしか使用できないことである。
第３Ｂ図のティップ形状は、勾配角が９０’に近い正の
角度の構造のプロフィル測定に理想的なものである。上
記の記憶キャパシタの深いトレンチでは、約８７°の勾
配角が必要である。このような構造のプロフィルを測定
するには、理想的な長方形の断面を有する第３Ｂ図のテ
ィップ構造が最も有利である。その欠点は、水平構造上
では、直接に情報が得られず、したがって復号しなけれ
ばならないことである。第３Ａ図のティップの製造の最
初の工程は、本発明の主題に属するものであり、下記に
説明を行なう。
角度の構造のプロフィル測定に理想的なものである。上
記の記憶キャパシタの深いトレンチでは、約８７°の勾
配角が必要である。このような構造のプロフィルを測定
するには、理想的な長方形の断面を有する第３Ｂ図のテ
ィップ構造が最も有利である。その欠点は、水平構造上
では、直接に情報が得られず、したがって復号しなけれ
ばならないことである。第３Ａ図のティップの製造の最
初の工程は、本発明の主題に属するものであり、下記に
説明を行なう。
第３Ｃ図のティップ形状は、勾配角がほぼ垂直、または
僅かにアンダーカットの断面形状のもの（第２Ｂ図参照
）に理想的である。その製造方法も本発明の主題に属す
るものであり、下記に説明を行なう。第３Ｃ図のティッ
プ形状が第３Ｂ図のティップ形状よりも有利な点は明ら
かである。第３Ｃ図のティップ形状が第３Ｂ図のティッ
プ形状よりも不利になるのは、きわめて狭＜ （＜０．
５μｍ）、深い構造の場合だけである。狭いトレンチ
を走査するには、ティップの前直径がトレンチの幅より
小さくなければならない。一方、ティップの軸の直径は
、ばね定数にとって決定的である。
僅かにアンダーカットの断面形状のもの（第２Ｂ図参照
）に理想的である。その製造方法も本発明の主題に属す
るものであり、下記に説明を行なう。第３Ｃ図のティッ
プ形状が第３Ｂ図のティップ形状よりも有利な点は明ら
かである。第３Ｃ図のティップ形状が第３Ｂ図のティッ
プ形状よりも不利になるのは、きわめて狭＜ （＜０．
５μｍ）、深い構造の場合だけである。狭いトレンチ
を走査するには、ティップの前直径がトレンチの幅より
小さくなければならない。一方、ティップの軸の直径は
、ばね定数にとって決定的である。
実験により、ティップが表面に付着するのを防止するた
めに、ばね定数は＞ ２ Ｎ ／ ｍでなければならな
いことがわかった。第３Ｂ図のティップを第３Ｃ図のテ
ィップと比較すると、前直径が同じ場合、第３Ｃ図のテ
ィップの軸のほうが細＜、シたがって弾性が大きいこと
がわかる。長方形ビームのばね定数は、 ＣξＷ−ｔ３／ｌ３ であり、第３Ｂ図のティップと第３Ｃ図のティップの剛
性を同様に最小にするには、第３Ｃ図のティップのほう
を短くしなければならない。すなわち、第３Ｃ図のティ
ップで測定できる構造の最大深さは、第３Ｂ図のティッ
プで測定できる構造の最大深さよりも小さい。実際の例
では、長さ３μｍ１直径０ ． ２ １１ ｍｓばね定
数Ｇ＝２．８Ｎ／ｍ１固有振動数ｆ ＝３２ＭＨｚの
ティップが、０ 深さく３μｍ１幅〉０．３μｍの構造のプロフィル測定
に使用される。
めに、ばね定数は＞ ２ Ｎ ／ ｍでなければならな
いことがわかった。第３Ｂ図のティップを第３Ｃ図のテ
ィップと比較すると、前直径が同じ場合、第３Ｃ図のテ
ィップの軸のほうが細＜、シたがって弾性が大きいこと
がわかる。長方形ビームのばね定数は、 ＣξＷ−ｔ３／ｌ３ であり、第３Ｂ図のティップと第３Ｃ図のティップの剛
性を同様に最小にするには、第３Ｃ図のティップのほう
を短くしなければならない。すなわち、第３Ｃ図のティ
ップで測定できる構造の最大深さは、第３Ｂ図のティッ
プで測定できる構造の最大深さよりも小さい。実際の例
では、長さ３μｍ１直径０ ． ２ １１ ｍｓばね定
数Ｇ＝２．８Ｎ／ｍ１固有振動数ｆ ＝３２ＭＨｚの
ティップが、０ 深さく３μｍ１幅〉０．３μｍの構造のプロフィル測定
に使用される。
第３Ｄ図のティップについても同様の考慮が行なわれる
。水平面のプロフィルを測定するには、第３Ｄ図のティ
ップが第３Ｃ図のティップよりも有利である。
。水平面のプロフィルを測定するには、第３Ｄ図のティ
ップが第３Ｃ図のティップよりも有利である。
Ｄ．課題を解決するための手段
本発明によれば、
ａ．シリコン基板を用意してその上にマスク層を設ける
ステップと、 ｂ．上記マスク層に、フォトリソグラフイおよびエッチ
ングにより、マスク・パターンを形成するステップと、 Ｃ．ステップｂで形成したマスク・パターンを、反応性
イオン・エッチングにより、シリコン基板中に転写して
ティップの軸を形成するステップと、ｄ．等方性湿式エ
ッチングにより、軸を細くし、基部を形成するステップ
と、 ｅ．エッチングによりマスクを除去するステップとを含
む、ＡＦＭ／ＳＴＭプロフィル測定用の超微細シリコン
・ティップの製造方法が提供される。
ステップと、 ｂ．上記マスク層に、フォトリソグラフイおよびエッチ
ングにより、マスク・パターンを形成するステップと、 Ｃ．ステップｂで形成したマスク・パターンを、反応性
イオン・エッチングにより、シリコン基板中に転写して
ティップの軸を形成するステップと、ｄ．等方性湿式エ
ッチングにより、軸を細くし、基部を形成するステップ
と、 ｅ．エッチングによりマスクを除去するステップとを含
む、ＡＦＭ／ＳＴＭプロフィル測定用の超微細シリコン
・ティップの製造方法が提供される。
得られた先端が長方形のティップの軸は、アルゴン・イ
オン・ミリングによって鋭くすることができる。
オン・ミリングによって鋭くすることができる。
第２の実施例では、ステップｅの前に、二酸化シリコン
・マスクを介して異方性湿式エッチングを行ない、マス
クの真下に負の断面形状の軸を形成する。このエッチン
グ工程後、エッチングによりマスクを除去する。
・マスクを介して異方性湿式エッチングを行ない、マス
クの真下に負の断面形状の軸を形成する。このエッチン
グ工程後、エッチングによりマスクを除去する。
Ｅ．実施例
第１Ａ図、第ＩＢ図、第ＩＣ図、および第ＩＤ図は、本
発明によるティップの製造方法の概略図である。
発明によるティップの製造方法の概略図である。
出発原料は、厚さ約１μｍの二酸化シリコン層２をコー
ティングしたシリコン・ウェーハ１で、シリコン・ウェ
ーハの配向およびドーピングは、任意に選択することが
できる。標準のフォトリソグラフィにより、ティップに
なる部分にマスクをかける（図示せず）。この目的のた
めに、二酸化シリコン層の上に厚さ約３μｍのフォトレ
ジスト層を設け、上記のフォトレジスト層中に所要のマ
スク・パターンを画定する。一般に、円形のマスクを使
用し、その直径は、ティップの軸になる部分の直径の数
倍とする。たとえばＣＦ４をエッチ・ガスとして使用し
た第１の反応性イオン・エッチング（Ｒ Ｉ Ｅ）によ
り、レジスト・パターンを二酸化シリコン層２中に転写
する。このエッチング工程のプロセス・パラメータは下
記のとおりである。
ティングしたシリコン・ウェーハ１で、シリコン・ウェ
ーハの配向およびドーピングは、任意に選択することが
できる。標準のフォトリソグラフィにより、ティップに
なる部分にマスクをかける（図示せず）。この目的のた
めに、二酸化シリコン層の上に厚さ約３μｍのフォトレ
ジスト層を設け、上記のフォトレジスト層中に所要のマ
スク・パターンを画定する。一般に、円形のマスクを使
用し、その直径は、ティップの軸になる部分の直径の数
倍とする。たとえばＣＦ４をエッチ・ガスとして使用し
た第１の反応性イオン・エッチング（Ｒ Ｉ Ｅ）によ
り、レジスト・パターンを二酸化シリコン層２中に転写
する。このエッチング工程のプロセス・パラメータは下
記のとおりである。
平坦ＲＩＥ装置
流速： ＣＦ４ ２０ｓｃｃｍ
圧力： １０μバール
ＲＦ： ８００Ｖ
ＤＣ： ５２０Ｖ
ＳｉＯ２エッチ速度： 〜２０ｎｍ／分次に、異方性
ＲＩＥにより、二酸化シリコン・マスク２をシリコン１
中の深部に転写する（第１Ａ図）。エッチングの深さに
よって、テイツプになる部分３の長さが基本的に決まる
。このエッチンク工程ノプロセス・パラメータは下記の
とおりである。
ＲＩＥにより、二酸化シリコン・マスク２をシリコン１
中の深部に転写する（第１Ａ図）。エッチングの深さに
よって、テイツプになる部分３の長さが基本的に決まる
。このエッチンク工程ノプロセス・パラメータは下記の
とおりである。
流速： Ａｒ ５０ｓｅｃｍ ＋Ｃｌ２ ５
ｓｅｃｍ 圧力＝ ２０μバール ＲＦ： ６００Ｖ ＤＣ： １５０Ｖ Ｓ ｉ−１−ッチ速度： 〜６７ｎｍ／分構造３の側
壁を、高度に異方性のＲＩＥ工程に典型的な現象である
、側壁再付着層４と呼ばれるもので被覆する。側壁層は
、工程を続ける前に除去しなければならない。この工程
は、下記のエッチ液を使用する等方性湿式エッチングで
ある。
ｓｅｃｍ 圧力＝ ２０μバール ＲＦ： ６００Ｖ ＤＣ： １５０Ｖ Ｓ ｉ−１−ッチ速度： 〜６７ｎｍ／分構造３の側
壁を、高度に異方性のＲＩＥ工程に典型的な現象である
、側壁再付着層４と呼ばれるもので被覆する。側壁層は
、工程を続ける前に除去しなければならない。この工程
は、下記のエッチ液を使用する等方性湿式エッチングで
ある。
ＨＮＯ３ ３５．５体積％
ＣＨ３ＣＯＯＨ ２１．５体積％
ＨＦ２１．５体積％
Ｈ２０２１．５体積％
ＦＣ９８湿潤剤（３Ｍ社の商標Ｆｌｕｏｒａｄ） Ｔ
＝２０℃ Ｓｉエッチ速度： 〜２．５μｍ／分 このエッチング工程の間に、側壁再付着層４を除去する
。この後、同じエッチ液でシリコンの軸３を浅く（たと
えば、最終直径が約０．２μｍになるまで）エッチング
する。同時に、これは等方性エッチング工程であるため
、軸３の円錐形の基部５が形成され、これによりティッ
プ軸の機械的安定性が向上する（第１Ｂ図）。ここで、
ティップが工程中に短くなったり丸くなったりするのを
防止する、二酸化シリコン・マスク２がまだ残っている
ことが不可欠である。
＝２０℃ Ｓｉエッチ速度： 〜２．５μｍ／分 このエッチング工程の間に、側壁再付着層４を除去する
。この後、同じエッチ液でシリコンの軸３を浅く（たと
えば、最終直径が約０．２μｍになるまで）エッチング
する。同時に、これは等方性エッチング工程であるため
、軸３の円錐形の基部５が形成され、これによりティッ
プ軸の機械的安定性が向上する（第１Ｂ図）。ここで、
ティップが工程中に短くなったり丸くなったりするのを
防止する、二酸化シリコン・マスク２がまだ残っている
ことが不可欠である。
緩衝フッ化水素酸を使用したディップ・エッチングによ
り、二酸化シリコン・マスク２を除去する。得られたテ
ィップ（第３Ｂ図参照）は長方形の断面を有する。
り、二酸化シリコン・マスク２を除去する。得られたテ
ィップ（第３Ｂ図参照）は長方形の断面を有する。
次の工程では、アルゴン・ガスとシリコン基板の組合せ
ではエッチ速度は角度に依存するという効果を利用した
、マスクレス・アルゴン・イオン・エッチングで、ティ
ップ７をとがらせる。角度が６０度の場合、エッチ速度
は、垂直（Ｏ度）に衝突させる場合に比べて約３倍にな
る。
ではエッチ速度は角度に依存するという効果を利用した
、マスクレス・アルゴン・イオン・エッチングで、ティ
ップ７をとがらせる。角度が６０度の場合、エッチ速度
は、垂直（Ｏ度）に衝突させる場合に比べて約３倍にな
る。
ティップをとがらせる工程（第ＩＣ図）のプロセス・パ
ラメータは下記のとおりである。
ラメータは下記のとおりである。
流速： Ａｒ ２０ｓｃｃｍ
圧力： ３μパール（重要）
ＲＦ： ＩＯＯＯＶ
ＤＣ： ８３０Ｖ
垂直Ｓｉエッチ速度： 〜４ｎｍ／分
第ＩＢ図の後、二酸化シリコン・マスク２が元のままと
仮定して、異方性湿式エッチング（たとえば３７．５重
量％のＫＯＨ水溶液）を使用すると、マスク２の真下に
負の断面形状６が形成される（第ＩＤ図）。酸化物マス
クを緩衝フッ化水素酸で除去すると、最終のティップ形
状（第３Ｃ図参照）が得られる。
仮定して、異方性湿式エッチング（たとえば３７．５重
量％のＫＯＨ水溶液）を使用すると、マスク２の真下に
負の断面形状６が形成される（第ＩＤ図）。酸化物マス
クを緩衝フッ化水素酸で除去すると、最終のティップ形
状（第３Ｃ図参照）が得られる。
Ｆ．発明の効果
本発明の方法により、機械的安定性に優れた超微細ティ
ップが得られる。アスベクト比の高い（最大１：２０）
このティップは、将来の半導体技術において、深いトレ
ンチのプロフィル測定のためのＡＦＭに使用することが
できる。
ップが得られる。アスベクト比の高い（最大１：２０）
このティップは、将来の半導体技術において、深いトレ
ンチのプロフィル測定のためのＡＦＭに使用することが
できる。
第ＩＡ図、第ＩＢ図、第ＩＣ図、および第ＩＤ図は、本
発明によるティップの製造工程の順序を示す図である。 第２Ａ図および第２Ｂ図は、プロフィル測定する深い構
造の形状を示す図である。 第３Ａ図、第３Ｂ図、第３Ｃ図、および第３Ｄ図は、４
種類のティップの形状を示す図である。 １・・・・シリコン基板、２・・・・マスク層、３・・
・・ティップ軸。 テイツブ 正の勾配 第２Ａ図 負の勾配 第２Ｂ図 ＊３Ｃ図 第３Ｄ図
発明によるティップの製造工程の順序を示す図である。 第２Ａ図および第２Ｂ図は、プロフィル測定する深い構
造の形状を示す図である。 第３Ａ図、第３Ｂ図、第３Ｃ図、および第３Ｄ図は、４
種類のティップの形状を示す図である。 １・・・・シリコン基板、２・・・・マスク層、３・・
・・ティップ軸。 テイツブ 正の勾配 第２Ａ図 負の勾配 第２Ｂ図 ＊３Ｃ図 第３Ｄ図
Claims (11)
- （１）原子間力顕微鏡または走査トンネル顕微鏡のプロ
フィル測定用の超微細シリコン・ティップを形成する方
法において、 （ａ）シリコン基板を用意してその上にマスク層を設け
るステップと、 （ｂ）上記マスク層に、フォトリソグラフィおよびエッ
チングにより、マスク・パターンを形成するステップと
、 （ｃ）ステップｂで形成したマスク・パターンを、反応
性イオン・エッチングにより、シリコン基板中に転写し
て、ティップの軸を形成するステップと、 （ｄ）等方性湿式エッチングにより、軸を細くし、基部
を形成するステップと、 （ｅ）エッチングによりマスクを除去するステップを含
む方法。 - （２）さらに、前記ステップｅの前に、元のままのマス
クを介して異方性湿式エッチングを行ない、これにより
、上記マスクの真下に負の断面形状の軸を形成した後、
上記マスクを除去するステップを含む、請求項１に記載
の方法。 - （３）マスクの除去によって得られた長方形の軸端部を
、アルゴン・イオン・ミリングによってとがらせること
を特徴とする、請求項１に記載の方法。 - （４）上記シリコン基板に、厚さ約１μｍの二酸化シリ
コン層を設けることを特徴とする、請求項１に記載の方
法。 - （５）上記二酸化シリコン層に厚さ約３μｍのフォトレ
ジスト層を設け、上記フォトレジスト層に所要のマスク
・パターンを画定することを特徴とする、請求項１およ
び４に記載の方法。 - （６）湿式エッチング、またはＣＦ＿４をエッチ・ガス
として使用した約１０μバールの圧力での反応性イオン
・エッチングにより、フォトレジスト層中のマスク・パ
ターンを二酸化シリコン層中に転写することを特徴とす
る、請求項１、４または５に記載の方法。 - （７）塩素／アルゴンをエッチ・ガスとして使用した約
２０μバールの圧力での異方性反応性イオン・エッチン
グにより、二酸化シリコンのマスク・パターンをシリコ
ン基板中に転写することを特徴とする、請求項１、４ま
たは６に記載の方法。 - （８）等方性湿式エッチングにより、側壁再付着層を軸
から除去し、同時に軸を細くすることを特徴とする、請
求項７に記載の方法。 - （９）約６０℃で３７．５重量％のＫＯＨ水溶液による
異方性湿式エッチングにより、マスクの真下に負の断面
形状の軸を形成することを特徴とする、請求項１または
２に記載の方法。 - （１０）５：１の緩衝フッ化水素酸を用いたエッチング
により、マスクを除去することを特徴とする、請求項１
ないし９の１つまたはいくつかの組合わせの方法。 - （１１）プロフィルを測定すべきサンプルの表面と相互
作用するような先端をもつティップ軸を有するシリコン
・ベースを含む、原子間力顕微鏡または走査トンネル顕
微鏡のプロフィル測定用微小機械センサであって、 上記ベースと上記の形状の先端をもつティップ軸が、１
つの材料片から微細機械加工によって製造された一体部
分を形成することを特徴とする、センサ。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP89115097.1 | 1989-08-16 | ||
| EP89115097A EP0413040B1 (en) | 1989-08-16 | 1989-08-16 | Method of producing ultrafine silicon tips for the afm/stm profilometry |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03104136A true JPH03104136A (ja) | 1991-05-01 |
| JPH0712052B2 JPH0712052B2 (ja) | 1995-02-08 |
Family
ID=8201768
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2205329A Expired - Lifetime JPH0712052B2 (ja) | 1989-08-16 | 1990-08-03 | 超微細シリコン・テイツプを形成する方法 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (2) | US5242541A (ja) |
| EP (1) | EP0413040B1 (ja) |
| JP (1) | JPH0712052B2 (ja) |
| DE (1) | DE68903950T2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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