RU2121657C1

RU2121657C1 - Способ формирования кантилевера сканирующего зондового микроскопа

Info

Publication number: RU2121657C1
Application number: RU97107635A
Authority: RU
Inventors: В.А. Быков; А.Н. Гологанов; Денис Владимирович Шабратов (н/н)
Original assignee: Зао "Нт-Мдт"; ЗАО "Силикон-МДТ"
Priority date: 1997-05-08
Filing date: 1997-05-08
Publication date: 1998-11-10

Abstract

Способ включает формирование на верхней и нижней сторонах кремниевой подложки первого защитного покрытия на основе нитрида кремния. Из него на верхней стороне подложки формируют локальную нитридную маску. Анизотропным травлением кремния с верхней стороны подложки формируют иглообразный выступ. Удаляют локальную нитридную маску и первое защитное покрытие с нижней стороны подложки. Формируют с обеих сторон подложки слой двуокиси кремния. Из него на верхней стороне подложки формируют локальную окисную маску. Формируют легированием бором на верхней стороне подложки р⁺-диффузный слой. Удаляют локальную окисную маску и слой двуокиси кремния. Формируют второе защитное покрытие на основе нитрида кремния на нижней стороне подложки. Формируют из него локальную нитридную маску. Проводят селективное по отношению к р⁺-диффузному слою анизотропное травление кремния с обеих сторон подложки. Удаляют локальную нитридную маску. Обеспечивается воспроизводимость длины кремниевой балки и физико-механических параметров. 13 ил.

Description

Изобретение относится к области сканирующей туннельной и атомно-силовой микроскопии, а точнее к способам формирования кантилеверов (зондов) сканирующих зондовых микроскопов (СЗМ).

Известен способ изготовления кантилевера СЗМ[1]. Он включает в себя формирование на верхней поверхности монокристаллической кремниевой подложки иглообразного локального выступа, формирование легированием бором на верхней стороне подложки высоколегированного p⁺-диффузионного слоя, термическое окисление подложки, формирование на нижней стороне подложки локальной маски на основе нитрида титана, анизотропное травление кремния до диффузионного p⁺-слоя с нижней стороны подложки, удаление локальной маски нитрида кремния, удаление слоя окисла кремния. Недостатком способа является то, что точность воспроизведения требуемой длины кремниевой балки кантилевера, образующейся в результате анизотропного травления кремния, невысока. Она напрямую связана с погрешностью процесса литографии, проводимого с нижней стороны подложки (погрешностью в совмещении рисунка локальной нитридной маски на нижней стороне подложки с рисунком локальной окисной маски на верхней стороне подложки) и качеством процесса селективного анизотропного травления кремния с нижней стороны подложки. Невысокая воспроизводимость длины балки кантилевера, в свою очередь, определяет невысокую воспроизводимость основных физико-механических параметров кантилевера, таких как, например, резонансная частота колебаний кантилевера.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ формирования кантилевера СЗМ[2], включающий формирование на верхней и нижней сторонах кремниевой высокоомной монокристаллической подложки с ориентацией-(100) 1-го защитного покрытия на основе нитрида титана, фотолитографически формирование из 1-го защитного покрытия на верхней стороне подложки локальной нитридной маски, анизотропное травление кремния с верхней стороны подложки до формирования на ней иглообразного выступа, удаление локальной нитридной маски с верхней стороны подложки и 1-го защитного покрытия с нижней стороны подложки, термическим окислением формирование на обеих сторонах подложки слоя двуокиси кремния, фотолитографически формирование из слоя двуокиси кремния на верхней стороне подложки локальной окисной маски, формирование легированием бором на верхней стороне подложки p⁺-диффузионного слоя, удаление с верхней стороны подложки локальной окисной маски и с нижней стороны подложки слоя двуокиси кремния, формирование на обеих сторонах подложки 2-го защитного покрытия на основе нитрида кремния, фотолитографически формирование из 2-го защитного покрытия на нижней стороне подложки локальной нитридной маски, селективное по отношению к p⁺-диффузионному слою анизотропное травление кремния с нижней стороны подложки до полного его удаления в участках, не легированных бором, удаление локальной нитридной маски и с нижней стороны подложки и 2-го защитного покрытия с верхней стороны подложки. Недостатком данного способа также является невысокая воспроизводимость длины кремниевой балки кантилевера, т.к. и в данном способе она определяется погрешностью процесса литографии, проводимого на нижней стороне подложки и качеством травления кремния с нижней стороны подложки. Поэтому те физико-механические характеристики кантилевера, которые зависят от длины кремниевой балки, имеют невысокую воспроизводимость.

Целью изобретения является повышение воспроизводимости длины балки кантилевера при его изготовлении.

Технический результат изобретения заключается в том, что изготовленные предлагаемым способом кантилеверы СЗМ обладают повышенной воспроизводимостью основных физико-механических параметров.

Предлагаемый способ формирования катилевера сканирующего зондового микроскопа заключается в следующем. На верхней и нижней поверхностях монокристаллической высокоомной кремниевой подложки с ориентацией-(100) формируют 1-е защитное покрытие на основе нитрида кремния. Фотолитографически из него формируют на верхней стороне подложки локальную нитридную маску. Проводят анизотропное травление кремния с верхней стороны подложки до формирования на ней иглообразного выступа. Проводят удаление локальной нитридной маски с верхней стороны подложки и 1-е защитное покрытие с нижней стороны подложки. Термическим окислением кремния формируют на обеих сторонах подложки слой двуокиси кремния. Фотолитографически на верхней стороне подложки формируют локальную окисную маску. Легированием бором на верхней стороне подложки формируют p⁺-диффузионный слой. Удаляют с верхней стороны подложки локальную окисную маску и с нижней стороны подложки слой двуокиси кремния. На нижней стороне подложки формируют 2-е защитное покрытие на основе нитрида кремния. Фотолитографически из 2-го защитного покрытия формируют на нижней стороне подложки локальную нитридную маску. Проводят селективное по отношению к p⁺-диффузионному слою анизотропное травление кремния с обеих сторон подложки до полного его удаления в участках, не защищенных локальной нитридной маской с нижней стороны подложки, и в участках, не легированных бором. Удаляют локальную нитридную маску с нижней стороны подложки.

Технический эффект заключается в том, что при изготовлении кантилевера длина балки задается рисунком локальной окисной маски и определяется исключительно точностью воспроизведения размеров локальной окисной маски на верхней стороне подложки по отношению к соответствующему шаблону и никак не связана ни с точностью совмещения рисунка локальной нитридной маски на нижней стороне подложки с рисунком локальной окисной маски на верхней стороне подложки, ни с качеством селективного анизотропного травления кремния с нижней стороны подложки. Одновременное селективное анизотропное травление кремния с обеих сторон подложки позволяет с высокой точностью воспроизвести размеры балки, задаваемые рисунком локальной окисной маски на верхней стороне подложки.

Предлагаемый способ иллюстрируется рисунками (фиг. 1-13), где представлены этапы процесса изготовления кантилевера.

На фиг. 1 приведено поперечное сечение подложки после формирования на обеих ее сторонах 1-го защитного покрытия на основе нитрида кремния; на фиг. 2 - поперечное сечение подложки после формирования на ее верхней стороне локальной нитридной маски; на фиг. 3 - поперечное сечение подложки после формирования на ее верхней стороне иглообразного выступа; на фиг. 4 - поперечное сечение подложки после формирования на обеих ее сторонах слоя термической двуокиси кремния; на фиг. 5 - вид сверху на подложку после формирования на ее верхней стороне локальной окисной маски; на фиг. 6 - поперечное сечение (А-А) подложки после формирования на ее верхней стороне локальной окисной маски; на фиг. 7 - поперечное сечение (Б-Б) подложки после формирования на ее верхней стороне p-диффузионного слоя; на фиг. 8 - поперечное сечение подложки после формирования на ее нижней стороне слоя 2-й защитной маски на основе нитрида кремния; на фиг. 9 - поперечное сечение подложки после формирования на ее нижней стороне локальной нитридной маски; на фиг. 10 - поперечное сечение подложки после анизотропного ее травления с обеих сторон; на фиг. 11 - поперечное сечение подложки после удаления с ее нижней стороны локальной нитридной маски; на фиг. 12 - трехмерное изображение фрагмента кантилевера, содержащего кремниевую балку, изготовленного в соответствии со способом-аналогом; на фиг. 13 - трехмерное изображение фрагмента кантилевера, содержащего кремниевую балку, изготовленного в соответствии с предложенным способом.

Пример исполнения способа.

Исходной является кремниевая монокристаллическая подложка п-типа проводимости с ориентацией-(100) и удельным сопротивлением 1 Омсм (1 на фиг. 1). Газофазным осаждением при пониженном давлении и при T=430^oC на обеих сторонах подложки формируют слой нитрида кремния толщиной 0,2 мкм- 1-е защитное покрытие (2 на фиг. 1). Фотолитографически из него на верхней поверхности подложки формируют локальную нитридную маску (3 на фиг. 2). Анизотропным травлением кремния в водном растворе КОН (30 об.% КОН) при T=90^oC на верхней стороне подложки формируют иглооброазный выступ (4 на фиг. 3). Плазмохимически удаляют локальную нитридную маску с верхней стороны подложки и 1-е защитное нитридное покрытие с нижней стороны подложки. Проводят термическое окисление кремния во влажном кислороде при T=1100^oC, при этом на обеих сторонах подложки формируют слой двуокиси кремния толщиной 1 мкм (5 на фиг. 4). Фотолитографически формируют из слоя двуокиси кремния на верхней стороне подложки локальную окисную маску (6 на фиг. 5 и фиг. 6). Проводят термическую диффузию бора, при этом формируют слой p⁺-типа, легированный бором с поверхностной концентрацией 1•10²⁰ см^-3 и глубиной залегания 2 мкм (7 на фиг. 7). Травлением в плавиковой кислоте удаляют локальную окисную маску с верхней стороны подложки и слой двуокиси кремния с нижней стороны подложки. Плазмохимически осаждают на нижней стороне подложки слой нитрида кремния толщиной 0,2 мкм, формируя тем самым 2-е защитное покрытие на нижней стороне подложки (8 на фиг. 8). Фотолитографически формируют из 2-го защитного покрытия на нижней стороне подложки локальную нитридную маску (9 на фиг. 9). В водном растворе КОН (30 об.%КОН) при T=100^oC проводят селективное по отношению к p⁺-дифузионному слою анизотропное травления кремния с обеих сторон подложки до его полного вытравливания в участках, не легированных бором (10 на фиг. 10). Плазмохимически проводим удаление локальной нитридной маски с нижней стороны подложки. В результате формируют кантилевер (фиг. 11), имеющий кремниевую балку длиной L. На фиг. 12 и фиг. 13 приведено трехмерное изображение кантилеверов, изготовленных по способу-аналогу и предложенному способу соответственно. Кантилевер, изготовленный в соответствии с способом-аналогом, имеет кремниевую балку длиной L + Δ L, где Δ L-величина, зависящая от качества процесса совмещения рисунков локальной окисной маски на верхней стороне подложки и локальной нитридной маски на нижней стороне подложки, а также от качества процесса локального анизотропного травления кремния с нижней стороны подложки. Кантилевер, изготовленный по предложенному способу, имеет длину кремниевой балки L, с высокой точностью совпадающую с размерами локальной окисной маски.

Литература
1. A. Boisen, O.Hansen, S.Bouwstra. AFM probs with directly fabricated tips. J.Micromech. Microeng. 1996, N 6, h. 58 - 62.

2. Патент США N 4943719, кл. G 01 B 5/28, 1990.

Claims

Способ формирования кантилевера сканирующего зондового микроскопа, включающий формирование на верхней и нижней сторонах кремниевой монокристаллической подложки с ориентацией-(100) 1-го защитного покрытия на основе нитрида кремния, фотолитографически формирование из 1-го защитного покрытия на верхней стороне подложки локальной нитридной маски, анизотропное травление кремния с верхней стороны подложки до формирования на ней иглообразного выступа, удаление локальной нитридной маски с верхней стороны подложки и 1-го защитного покрытия с нижней стороны подложки, термическим окислением кремния формирование с обеих сторон подложки слоя двуокиси кремния, фотолитографически формирование на верхней стороне подложки из слоя двуокиси кремния локальной окисной маски, формирование легированием бором на верхней стороне подложки р⁺-диффузного слоя, удаление с верхней стороны подложки локальной окисной маски и с нижней стороны подложки слоя двуокиси кремния, формирование на подложке 2-го защитного покрытия на основе нитрида кремния, фотолитографически формирование из 2-го защитного покрытия на нижней стороне подложки локальной нитридной маски, селективное по отношению к р⁺-диффузному слою анизотропное травление кремния с нижней стороны подложки до полного его вытравливания в участках, не легированных бором, удаление локальной нитридной маски с нижней стороны подложки, отличающийся тем, что 2-е защитное покрытие на основе нитрида кремния формируют только на нижней стороне подложки, а одновременно с селективным анизотропным травлением кремния с нижней стороны подложки проводят его селективное анизотропное травление с верхней стороны подложки.