Bei der Herstellung von einseitig eingespannten Biegebalken mit integrierter Spitze für den Einsatz im Rastersondenmikroskop -die im folgenden als Cantilersonden bezeichnet werden-haben sich verschiedene bekannte Fabrikationstechniken etabliert. Die bekannteste nutzt die unterschiedlichen Methoden, wie zum Beispiel die in der Mikrosystemtechnik eingesetzten Ätztechniken, um aus vollkristallinem Halbleitermaterial wie zum Beispiel Silizium oder Galliumarsenid eine monolithische (aus einem Stück bestehende) Cantileversonde herzustellen [1].

Allerdings ist es wünschenswert, auch metallische Cantilever oder solche aus dielektrischen Schichten zur Verfügung zu haben. Dies gelingt durch Beschichtung der monokristallinen Cantilever mit dem interessierenden Material [2]. Dabei wird durch die endliche Dicke des Films der Spitzenradius abgerundet und gleichzeitig eine auf Grund des Bimetalleffektes thermisch empfindliche Sonde hergestellt. Dies ist jedoch für die reine Topographieabbildung einer Oberfläche im Rasterkraftmikroskop unerwünscht.

Einen Ausweg aus diesem Problem bietet die Abformtechnik [3, 4,5,6,7,8, Dazu wird der vollständige Cantilever (inklusive Spitze) als Negativform in ein Substrat hineingeätzt und der Cantilever danach mit Hilfe dieser Form abgeformt. Das Prinzip eines solchen Herstellungsprozesses ist schematisch in Abb. 3 dargestellt. Der schematische Herstellungsprozeß von Cantileversonden mit Hilfe der Abformtechnik zeichnet sich durch folgende Schritte aus : Gemäß Figur 3a wird die Form für die Spitze durch Lithographie und Ätzen in das Substrat übertragen und weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Form einer inversen Pyramide auf, die durch anisotropes Ätzen in Silizium erhalten wird. Gemäß Figur 3b wird in einem ähnlichen Schritt auch die Form für den Cantilever hergestellt.

Entsprechend Figur 3c wird das Cantilevermaterial zum Beispiel als dünner Film in die Form abgeschieden. Figur 3d zeigt schließlich die solchermaßen hergestellte, freigeätzte Cantilevermembran. Um eine scharfe Spitze zu erhalten, wurden bisher fast ausschließlich die sogenannte inverse Pyramide als Form genutzt, die man beim anisotropen Ätzen von zum Beispiel Si mit KOH erhält [3]. In Figur 4 ist schematisch die Herstellung von anisotrop geätzten pyramidenförmigen Löchern in zum Beispiel Si-Wafern dargestellt. In Figur 4a ist die Geometrie der Öffnung in einer Querschnittsansicht veranschaulicht. Figur 4b verdeutlicht, daß bei quadratischen Fenstern in der deponierten Schicht sich exakte Spitzen als gemeinsamer Schnittpunkt aller vier (111)-Wande ergeben, während gemäß Figur 4c bei einer Abweichung einer Seitenlänge um den Wert A sich als Geometrie der Form eine schneidenförmige inverse Spitze der Schneidenlänge A ergibt, die durch die vier (111)-Wande begrenzt ist. Diese wohl definierte Form (siehe Abb. 4 a) und b)) ist durch die vier (111)-Wände des Siliziums begrenzt. Allerdings muß für ihre Herstellung ein exakt quadratisches Fenster in einer Maskenschicht geätzt werden. Nur wenn das Fenster exakt quadratisch ist, schneiden sich alle (111)-Ebenen in einem Punkt, das heißt es ergibt sich (theoretisch) eine wirkliche punktförmige Spitze beim Abformen (Abb. 4 b)). Eine kleine Abweichung A einer Seitenlänge von der quadratischen Form ergibt automatisch eine Schneide der Länge A als Spitzenform, da sich jetzt nicht mehr alle vier Ebenen in einem Einzelpunkt schneiden können (Abb. 4 c)). Die Schneidenform kann sich auch auf Grund von Imperfektionen während der Herstellung (Lithographie, Ätzen) ergeben, allerdings eher als statistische Abweichung denn als systematischer Fehler. Es können auch andere zum Beispiel durch naßchemisches (isotropes oder anisotropes) Ätzen, Plasma-unterstütztes Ionenätzen, elektrochemisches Ätzen usw. hergestellte Vertiefungen für die Abformung genutzt werden [10,11,12]. Diesen ist jedoch gemein, daß ein vielflächige Öffnung entsteht, die im Prinzip dem gleichen Problem der Genauigkeit der Maske, wie es für die inverse Pyramide erläutert wurde, unterliegt. Üblicherweise wird die Form für den Biegebalken gleich bei diesem Prozeß oder in einem separaten aber völlig analogen Prozeß berücksichtigt (siehe Abb. 3 b)).

Nach der Herstellung der Form für Spitze und Biegebalken wird diese nun mit verschiedensten Materialien, wie zum Beispiel Siliziumnitrid [6], Diamant [13, 14,15,16,17,18], Metalle, Polymere etc. auf Basis der Dünnschichtabscheidung aufgefüllt (siehe Abb. 3c)). Die freiliegende Cantileversonde erhält man dadurch, daß das Substrat durch Ätzprozesse entfernt wird (siehe Abb. 3d)). Die bekanntesten Vertreter sind Cantilever, die aus Siliziumnitrid bestehen (kommerzieller Anbieter : zum Beispiel Park Scientific, Digital Instruments). Auf die gleiche Weise wurden zwischenzeitlich auch Cantilever basierend auf polykristallinen Diamantschichten hergestellt (zum Beispiel [13,14,15,16,17,18]).

Allerdings weist dieses Verfahren einige Schwächen auf. Zum einen werden für die Abformung Vertiefungen benutzt, die durch mehrere Flächen verschiedener Oberflächennormale begrenzt sind.

Dies soll nur am Beispiel der vierseitigen Pyramide erläutert werden (siehe Abb. 4a)). Dort ergibt sich als Schnittmenge der vier Flächen nur dann ein einziger mathematischer Punkt, wenn bei der Herstellung der Form eine auf atomarer Skala identische Seitenlänge der quadratischen Lithographiemaske benutzt wird.

Dies ist aber durch handelsübliche Lithographiemasken nicht zu erreichen. Als Folge daraus ergeben sich immer verschiedene Kantenlängen in x-und y-Richtung und damit als Schnittmenge der vier Flächen kein Punkt sondern ein Liniensegment. Typische Größen dieses Liniensegmentes und damit der Größe der Schneide der abgeformten Spitze liegen üblicherweise im Bereich von etwa 10-50nm und sind für einige Anwendungen im Rastersondenmikroskop daher ungeeignet.

Daneben ergeben sich weitere Probleme. Wie man bereits aus der Abb. 3c) entnehmen kann, liegt die abgeformte Spitze immer im Substrat verborgen und muß daher freigeätzt werden. Dies hat allerdings Konsequenzen für die mechanische Handhabbarkeit des Cantileversensors. Der gesamte Sensor, wie er in Abb. 3d) gezeigt ist, weist Dicken von typisch 2-lOpm bei einer Länge von durchaus 1-3mm auf. Würde die ganze Sonde nur aus dieser dünnen Schicht bestehen, so wurde ihre geringe mechanische Stabilität zur Zerstörung der Schicht führen, wenn diese mit einer Pinzette aufgenommen wird. Aus diesem Grund wird auf den Halterbereich der Cantilevermembran üblicherweise ein massives Halterelement aufgebracht. Es kann im Prinzip aus beliebigem Material hergestellt werden und unterschiedlichste Geometrien aufweisen. Damit besitzt die Sondenhalterung eine genügende Stabilität und es ergeben sich auch keine Probleme in Bezug auf den Anstellwinkel des Sensors zur Probenoberfläche, wie dies in Abb. 5 veranschaulicht ist. In Figur 5 ist der Einsatz eines Cantilevers für die Rastersondenmikroskopie dargestellt. Bei der Cantileversonde ohne Haltestruktur gemäß Figur 5a kann diese bis zu einem Winkel a auf die Probenoberfläche abgesetzt werden, ohne daß eine Beeinträchtigung eintritt. Wird die Sonde jedoch weiter geneigt, so setzt der Cantilever selbst, nicht aber die Spitze des Cantilevers auf der Probenoberfläche auf.

Wie Figur 5b zeigt, wird der nutzbare Winkelbereich dann nicht eingeengt, wenn ein Halterelement auf der Oberseite des Cantilevers montiert wird. Wird das Halterelement jedoch von der Substratseite des Cantileverwafers geätzt, befindet sich demnach also an der Unterseite des Cantilevers, so verschlechtert sich der Bereich des Winkels a drastisch. Diese Verschlechterung kann soweit gehen, daß die Spitze des Cantilevers die Probenoberfläche überhaupt nicht mehr berühren kann und somit ein solchermaßen ausgebildeter Cantilever völlig ungeeignet für die Rastersondenmikroskopie ist. Man könnte natürlich versuchen, das Halterelement durch Tiefätzen in den den Cantilever tragenden Wafer zu integrieren ; allerdings müßte dann die Lithographie für die Spitze (Quadrat in der Ätzstopschicht) in einer etwa lOOm tiefen Wanne erfolgen. Dies ist jedoch auf Grund der optischen Beugung an der optischen Lithograpohiemaske nicht möglich und muß daher ausgeschlossen werden. Weiterhin verhindert dann das Halterelement, daß die Spitze einen geeigneten Winkel zur Probenoberfläche einnimmt (siehe Abb. 5b)). Die Möglichkeit des Direktschreibens mit einer Elektronenstrahllithographie ist zwar auch möglich, allerdings unwirtschaftlich.

Werden polykristalline Materialien abgeschieden-ein wichtiger Vertreter ist polykristalliner Diamant-so taucht ein weiteres Problem auf. Da die sichtbare Wachstumsfläche der Diamantschicht üblicherweise sehr rauh ist, ist auf Grund der starken optischen Streuung an der Rückseite des Cantilevers eine optische Messung der Cantilverauslenkung mit der Triangulationstechnik (engl. beam deflection technique) nahezu unmöglich und damit der Sensor im Rastersondenmikroskop nicht einsetzbar.

Ganz wesentlich für den Einsatz von Cantileversonden im Rastersondenmikroskop ist auch die Möglichkeit die Spitze mit Hilfe optischer Beobachtungseinrichtungen auf der Probenoberfläche zu positionieren. Bei den üblichen Cantileversonden befindet sich jedoch die Spitze unterhalb des Cantilevers und daher ist sie optisch nicht zugänglich. Eine Lösung wird dabei von Toda angegeben [11]. Er ätzt zu diesem Zweck wannenförmige Vertiefungen in ein SOI-Wafersubstrat und bringt eine dicke photoresist Schicht auf in der durch Parallelprojektion die Cantileverstruktur übertragen wird.

Allerdings wird diese photoresist Struktur nur als Ätzmaske für einen PlasmaätzprozeB benutzt, um aus dem Substrat Si- Cantilever mit einer integrierten Si-Spitze zu erhalten, die allerdings in ihrer Höhe über die ganze Wannentiefe reicht [11]. Dieses Herstellungsprinzip wird nach der Erfindung deutlich verbessert, indem Schichten, die zuvor oder nachher abgeschieden werden, durch die Parallelprojektion der Maske strukturiert werden. Waren Toda et al. \ auf Cantilever aus dem Material des SOI-Wafer beschränkt, so können mit dem im folgenden dargestellten Verfahren, nahezu alle Materialien genutzt werden. Die Spitze nimmt dabei nicht mehr die volle Höhe ein, sondern weist nur noch die Dicke der zu strukturierenden Schicht auf.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bekannten Verfahren zu vermeiden und ein Verfahren zur Herstellung einer verbesserten Sonde für die Rastersondenmikroskopie anzugeben.

Diese Aufgabe wird bei dem Verfahren zur Herstellung von Sonden für die Rastersondenmikroskopie, insbesondere Cantileversonde mit Spitze und Biegebalken im wesentlichen dadurch gelöst, daß man eine zweidimensionale planare Cantilevergeometrie auf einem dreidimensional stukturierten Substrat abbildet, wobei das freie Ende der Cantileversonde als bezüglich des Biegebalkens abgewinkelte Spitze ausgebildet ist.

Das neue Verfahren zur Herstellung von Sonden für die Rastersondenmikroskopie beruht auf der Übertragung einer zweidimensionalen Maskenstruktur, die die Geometrie der Sonde definiert, auf ein strukturiertes Substrat, so daß eine dreidimensionale Cantileverstruktur erhalten wird. Dabei kann das Sondenmaterial beliebig gewählt werden : wie zum Beispiel Dielektrika (Siliziumnitrid, Siliziumoxid etc.), Hartstoffe (Diamant, kubisches Bornitrid, Titannitrid etc.), Metalle, Halbleiter, Polymere, etc.

Das Verfahren wird zur Herstellung neuartiger Cantileversonden für die Rastersondenmikroskopie eingesetzt. Es vermeidet einige Nachteile der bisher zum Beispiel durch Abformung hergestellten Sonden : -Für die optische Triangulationsmessung der mechanischen Auslenkung des Cantilevers im Rastersondenmikroskop kann die glatte Grenzfläche zwischen dem Substrat und der deponierten Schicht benutzt werden. Bisher war man auf die möglicherweise stark streuende Oberfläche der Wachtumsfläche dieser Schicht beschränkt, die eine Triangulationsmessung in Reflexion nicht erlaubte. Damit bietet es insbesondere die Möglichkeit, polykristallin abgeschiedene Materialien mit rauhen Wachstumsoberflächen (zum Beispiel polykristalliner Diamant) einzusetzen.

-Das neue Verfahren erlaubt die Herstellung von Cantileversonden mit einer freistehenden Spitze. Damit kann die Spitze zum Zweck der Positionierung direkt optisch im Rastersondenmikroskop kontrolliert werden. Dies ist bei konventionellen abgeformten oder durch Unterätzen von Maskierungsschichten erhaltenen Spitzen auf Cantilevern meist nicht möglich, da der Biegebalken die Spitze optisch abschattet.

-Es vermeidet Spitzen, deren Apex möglicherweise bei der Abformung nicht vollständig auf-und ausgefüllt sind, da eine mehrflächige Form für die Abformung der Spitze (bisher üblicherweise die sogenannte inverse Pyramide, die durch die vier (111)-Wände beim anisotropen Ätzen von Si entsteht) durch eine einzige Fläche ersetzt wird.

-Es vermeidet die Ausbildung von Schneiden am Apex der Spitzen, die aus der oben genannten Abformung von inversen Pyramiden meist entstehen. Die Ursache dafür ist die Lithographie für die Pyramidenherstellung, da nur eine Genauigkeit von üblicherweise 10-50nm erreicht wird.

-Es erfordert die Verwendung nur eines einzigen Substrates, während bei der Abformtechnik bisher üblicherweise zwei Substrate benötigt wurden, um die Cantilevergeometrie sowie das Halterelement über Ätzvorgänge herauszuarbeiten, um dann den Cantilever mit dem Halterelement durch Montage zu verbinden und somit für eine mechanische Stabilisierung des Cantilevers zu sorgen. Werden daher bei dem neuen Verfahren einkristalline Wafer, wie zum Beispiel Si-Wafer, als Substrate benutzt, so reichen einseitig polierte Wafer aus, da die Herstellung der Halterelemente auf der rauhen unpolierten Seite völlig problemlos erfolgen kann und damit der Gesamtherstellungsprozeß weiter verbilligt werden kann.

Nach einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung bildet man die Cantilevergeometrie durch optische Parallelprojektionen einer Maske auf dem Substrat ab.

Nach einer anderen bevorzugten Weiterbildung der Erfindung besteht jedoch auch die Möglichkeit, die Cantilevergeometrie mittels eines fokussierten Teilchenstrahls auf dem Substrat abzubilden.

Dabei erweist es sich als vorteilhaft, daß die endseitige Spitze der Cantilevergeometrie durch zwei sich schneidende Geraden definiert ist.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Oberfläche des Substrats wenigstens zwei Ebenen auf, die winklig zueinander angeordnet sind.

Dabei wird die Cantilevergeometrie auf die beiden Ebenen des Substrats abgebildet.

Von Vorteil wird die Spitze der Cantilevergeometrie auf die geneigte Ebene und der Rest der Cantilevergeometrie auf die zur Cantilevergeometrie parallele Ebene abgebildet.

Es bestehe jedoch auch die Möglichkeit, die Oberfläche des Substrats durch eine Ebene und eine anschließende gekrümmte Flache, zum Beispiel einer Zylinderfläche oder dergleichen zu realisieren, wobei dann die Spitze der Cantileversonde auf die gekrümmte Fläche abgebildet wird.

Von besonderem Vorteil wird die Cantilevergeometrie, wie Spitze, Biegebalken und Halterbereich, in einem einzigen Projektionsprozeß auf dem Substrat abgebildet.

Von besonderem Vorteil wird das Halterelement durch eine Lithografie, beispielsweise eine Maske, und einen Ätzvorgang an der bevorzugt im wesentlichen planen Unterfläche des Substrats in das Substrat übertragen beziehungsweise aus diesem herausgearbeitet. Dies erfolgt bevorzugt im Halterbereich der Cantilevergeometrie. Aufgrund dieser Maßnahme wird die ansonsten nach dem Stand der Technik erforderliche separate Herstellung von Cantilevergeometrie und Halterelement mit der anschließenden konstruktiven Verbindung beider Bauteile vermieden.

Dabei ist nach einer bevorzugten Alternative der Halterbereich einstückig mit dem Halterelement verbunden.

Von Vorteil können die Ätzvorgänge für die Übertragung der Cantilevergeometrie und des Halterelements in das Substrat im wesentlichen zeitgleich oder auch unmittelbar beziehungsweise mittelbar nacheinander durchgeführt werden. Auf jeden Fall ist der anschließende Schritt einer mechanischen Verbindung von Halterelement und Halterbereich der Cantilevergeometrie nicht erforderlich.

Von besonderem Vorteil wird der Umriß der Cantilevergeometrie, wie Spitze, Biegebalken und Halterbereich in einem Photoresist auf einem Substrat in Form eines dünnen Spaltes übertragen, wobei der Spalt im vorderen Bereich der Spitze endet beziehungsweise eine Unterbrechung aufweist. Durch diese Maßnahme ist es möglich, eine äußerst genau und exakt definierte Spitze des Cantilevers zu ätzen.

Dabei wird die Spitze während des Ätzvorganges durch zwei übereinander hinweg scherende Ätzfronten gebildet. Dieses Verfahren hat einen ganz wesentlichen Vorteil gegenüber dem üblichen Ätzverfahren zur Herstellung von Spitzen, da es sich dabei um einen selbstjustierenden Prozeß handelt. Überschneiden sich die beiden Ätzfronten links und rechts der Spitze im Bereich der Spitze ersteinmal, so führt ein weiteres Ätzen nur dazu, daß die Spitze zum aktuellen Schnittpunkt der beiden Ätzfronten hin verschoben wird, aber dennoch spitz ausgebildet bleibt.

Weitere Ziele, Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen.

Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger sinnvoller Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.

Es zeigen : Figur la eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens, Figur lb eine Cantileverstruktur, erhalten nach dem Verfahren gemäß Figur la in perspektivischer Ansicht, Figur lc die Cantileverstruktur der Figur lb in Seitenansicht, Figur ld eine schematische Darstellung des Ätzprozesses des Halterelements, Figur le die Cantileverstruktur, erhalten durch die Ätzprozesse der Figuren la und ld mit dem Halterbereich integral angeformtem Halterelement in perspektivischer Ansicht, Figur lf die Cantileverstruktur der Figur le in Seitenansicht, Figuren 2a, b, c verschiedene Ausführungsformen der Ausbildung der Vertiefung in dem Substrat, Figuren 3a, b, c, d in schematischer Darstellung einen üblichen Herstellungsprozeß von Cantileversonden mit Hilfe der Abformtechnik, Figuren 4a, b, c verschiedene Ausführungsformen von geätzten pyramidenförmigen Löchern in Si- Wafern, Figuren 5a, b, c verschiedene Ausführungsformen von Cantileversonden für die Rastersondenmikroskopie und Figur 6a, b eine besondere Ausführungsform der Übertragung der Cantilevergeometrie in das Substrat zur Erzeugung einer wohldefinierten Spitze.

Die Erfindung bezieht sich auf ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Cantileversonden 10. Insbesondere erlaubt dieses Verfahren die direkte Beobachtung der Spitze mit Hilfe einer Beobachtungsoptik, da die Spitze 12 am Ende des Biegebalkens 14 angebracht ist und durch diesen nicht abgeschattet wird. Ein weiterer wichtiger Aspekt des neuen Verfahrens ist u. a. die Möglichkeit, durch den Schnitt zweier Ebenen eine wohl definierte Spitze herzustellen. Als Schnitt der Ebenen ergibt sich eine Gerade, die jedoch in Bezug auf den Cantilever geneigt ist und damit so zur Probenoberfläche justiert werden kann, daß sich im Schnitt dieser Geraden mit der Probenebene ein punktförmiger Kontakt und damit eine Spitze ergibt. Dabei wird vorausgesetzt, daß die Schicht aus der der Cantilever bestehen soll, bereits auf das Substrat abgeschieden wurde und anschließend der Cantilever geformt werden soll. Wird nun die spitz zulaufende Cantileverspitze durch einen Lithographie-und einen anschließenden Ätzprozeß in die Schicht übertragen, so begrenzen zwei Ätzwände diese Cantileverstruktur seitlich. Diese Ätzwände schneiden sich vorne an der Spitze und bilden daher eine, unter Umständen gekrümmte Gerade, die in Bezug auf den Cantilever geneigt ist.

Die Richtung dieser Geraden und natürlich auch die Art der etwaigen Krümmung wird durch die Art des Ätzprozesses definiert. Wird diese Gerade nun mit der Probenoberfläche geschnitten, so geschieht dies nur in einem Punkt, nämlich der Spitze. Das gleiche gilt natürlich auch dann, wenn der Cantilever nicht aus dem Material herausgeätzt wird, sondern in einer Form abgeschieden wird. Jetzt sind es die Seitenwände der Form, die sich an der Spitze in einer Geraden schneiden.

Es können beliebige Probenmaterialien, wie zum Beispiel Metalle, Dielektrika, Halbleiter, Polymere, etc. für die Herstellung der Sonde genutzt werden. Dafür ist nur ein einziges Substrat erforderlich. Die Gesamtstruktur der Spitzenform, der Biegebalkenanordnung und der Halterstruktur kann durch die Substrattopologie (in der z-Richtung) und der Maskengeometrie (x-und y-Richtung) gezielt variiert werden.

Anders ausgedrückt bedeutet dies, daß die Struktur des herzustellenden Bauteils im Umriß (im folgenden als Geometrie bezeichnet) durch die Parallelprojektion einer Maske 20 und in der Topologie durch das vorher bereits in der Tiefe strukturierte Substrat 18, das selber ein homogenes Substrat 18oder auch ein Substrat 18 mit einem beliebigen Schichtsystem sein kann, definiert wird. Zur Definition der Geometrie des Bauteils kann an Stelle der Maske 20 auch ein fokussierter Teilchenstrahl (Photonen, Elektronen, Ionen, Neutralteilchen, etc.) zur Übertragung der Struktur benutzt werden. Ein wesentlicher Punkt ist dabei, daß die Spitzenhöhe im Gegensatz zu Toda et al. [11] nur durch die Höhe einer strukturierten Schicht gegeben ist und somit nicht zur ungewünschten Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften (geringere Resonanzfrequenz durch ein zusätzliches konzentriertes Massenelement) führt.

Das Grundprinzip des neuen Herstellungsverfahrens ist in Figur 1 schematisch dargestellt. Gemäß Figur la wird eine Cantileverstruktur, insbesondere ein Biegbalken mit am Ende zulaufender Spitze inklusive der Halterstruktur am anderen Ende, durch einen Parallel-Projektionsprozeß auf das strukturierte Substrat übertragen. Der Überlapp zwischen der Cantileverstruktur auf der Maske und der Seitenwand definiert die Höhe und Breite der sich ergebenden Spitze am Cantileverende. Figur lb zeigt die Cantileverstruktur in perspektivischer Darstellung. In Figur lc ist die Cantileverstruktur in Seitenansicht dargestellt. Die planare Struktur der Projektionsmaske definiert die Geometrie des erhaltenen Mikrobauelements, das heißt seinen Umriß in der X, Y-Ebene, während die Topologie des strukturierten Substrats seiner Topologie in Z-Richtung entspricht. Es beruht darauf, daß eine zweidimensionale, planare Struktur die Cantilevergeometrie 16, die zum Beispiel auf einer Lithographiemaske definiert wurde, auf ein bereits strukturiertes Substrat 18 in Schattenprojektion übertragen wird und somit die Topologie des Substrates 18 und die Geometrie der projizierten Maskenstruktur annimmt. Das Prinzip kann also ganz allgemein zur Herstellung von dreidimensionalen Strukturen durch Vorgabe des vorstrukturierten Substrates 18 und der planaren, die Geometrie tragenden Maske 20 erzeugt werden. Hier ist insbesondere an die Herstellung von Cantileversonden 10 mit integrierter Spitze 12, Biegebalken 14 und integriertem Halterbereich 32 gedacht, wobei die Spitze 12 zum Beispiel am Ende (oder auch seitlich) des Biegebalkens 14 automatisch integriert werden kann. Spitze 12 und Biegebalken 14 werden also durch den gleichen Projektionsprozeß übertragen.

Dies ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber der konventionellen Herstellung, da dort spezielle Prozesse nur für die Spitzenherstellung erforderlich sind, die entsprechend aufwendig sind. Da sich zwei nicht-parallele Geraden 22,24, die in einer Ebene liegen, immer in einem Punkt schneiden, kann so in einfacher Weise eine aus einem mathematischen Punkt bestehende Cantileverspitze bei der Projektion erhalten werden.

Dies ist in Abb. 1 bereits dadurch berücksichtigt, daß das Ende des Cantilevers aus einer spitz zulaufenden Spitze 12 besteht, die durch die beiden oben genannten Geraden 22,24 begrenzt wird und daher in der punktförmigen Spitze 12 zusammentreffen.

Die Oberfläche des Substrats 18 weist wenigstens zwei Ebenen 26,28 auf, die winklig zueinander angeordnet sind, wie dies in der Figur 1 dargestellt ist. Die Cantilevergeometrie 16 wird auf die beiden Ebenen 26,28 des Substrats 18 abgebildet.

Insbesondere wird die Spitze 12 der Cantilevergeometrie 16 auf die geneigte Ebene 28 und der Rest der Cantilevergeometrie 16, wie Biegebalken 14 und Halterbereich 32 auf die zur Cantilevergeometrie 16 parallele Ebene 26 projiziert.

In den Figuren ld, e und f ist dargestellt, wie das eigentliche Halterelement 34 auf der Unterseite des Substrats 18 geätzt wird. Das Halterelement 34 wird durch eine Lithografie, beispielsweise mit der rechteckigen Maske 36, und einem Ätzvorgang auf der Unterseite des Substrats in dieses übertragen. Somit ist bereits eine Indikation des Halterelements 34 an den Halterbereich 32 der Cantileversonde 10 während der Herstellung des Cantilevers möglich. Dabei ist das Halterelement 34 dem Halterbereich 32 der Cantileversonde 10 einstückig angeformt, so daß auf weitergehende Schritte zur Verbindung der ansonsten nach dem Stand der Technik jeweils einstückig hergestellten Bauteile, nämlich Cantileversonde 10 und Halterelement 34, verzichtet werden kann. Dabei können die Ätzvorgänge für die Cantileversonde 10 auf der Oberfläche des Substrats 18 sowie für das Halterelement 34 auf der Unterfläche des Substrats 18, gegebenenfalls gleichzeitig oder auch unmittelbar nacheinander erfolgen.

Neben der bevorzugten Ausführung, das Substrat mit zwei winkligen Ebenen 26,28 zu versehen (Figuren 1, 2a), besteht jedoch auch die Möglichkeit, wie dies beispielsweise in den Figuren 2b, c dargestellt ist, die Oberfläche des Substrats 18 durch eine Ebene 26 und wenigstens eine gekrümmte Fläche 30, beispielsweise eine Zylinderfläche zu bilden. Der viertelkreisförmige Querschnitt der gekrümmten Fläche 30 gemäß Figur 2b ist sehr vorteilhaft für den Einsatz der entsprechenden Sonden im Rastersondenmikroskop, da die Spitze 12 der Sonde sehr leicht senkrecht zur Oberfläche der zu untersuchenden Probe gebracht werden kann. In gewissen Anwendungsfällen kann die gekrümmte Fläche 30 auch durch Unterätzen einer Seitenwand des Substrats 18 gebildet werden, wobei dann in Schattenprojektion an dieser unterätzten Struktur sehr scharfe Kanten der abgeformten Struktur erzielt werden können. Die Oberfläche des Substrats 18 kann im Rahmen des technologisch Möglichen nahezu beliebig variiert werden. Nach Figur 2a wird die Vertiefung durch anisotropes Ätzen, nach 2b durch isotropes Ätzen und nach Figur 2c mittels Unterätzen der Seitenwände gebildet.

Im folgenden wird näher erläutert, welche Probleme bei der Herstellung einer Cantileversonde 10 mit einer exakt definierten Spitze 12 auftreten und wie diese mittels einer besonderen, eigenständigen Lösung der Erfindung überwunden werden.

Ausgangspunkt ist, daß das Material aus dem die Cantileversonde 10 bestehen soll, bereits in die Form abgeschieden wurde. Nach dem Aufbringen des Photolacks wird dann die Cantilevergeometrie 16 durch Schattenprojektion in diese Photolackschicht übertragen und diese dann entwickelt. Die so definierte Geometrie wird schließlich durch Wegätzen der außenstehenden Teile des Substrats 18 hergestellt, so daß nur die Cantileversonde 10 inklusive Halterelement 34 übrig bleibt. Die Dauer des Ätzprozesses hängt natürlich von der Schichtdicke des Materials ab. Bei endlichen Schichtdicken wird aber nicht nur in die Tiefe, sondern auch in die Breite geätzt, das heißt lateral geätzt. Dabei wird natürlich vor allem die Spitze des Cantilevers abgerundet. Sie wurde nur spitz bleiben, wenn die Ätzdauer beliebig kurz wäre. Das gleich gilt auch, wenn das Material des Cantilevers erst nach der Übertragung der negativen Cantileverstruktur in eine Maskierungsschicht übertragen wird. Denn die Dicke der Maskierungsschicht ist ebenfalls endlich und das bedeutet, daß auch beim Ätzen der Maskierungsschicht spitze Ecken abrunden müssen.

Aus diesem Grund ist es äußerst vorteilhaft, zur Erzeugung einer echten Spitze eine andere Methode zu berücksichtigen. Die Idee besteht darin, daß zwei Ätzfronten (hier ist immer die Ätzfront gemeint, die bei der Unterätzung einer Maskierungsschicht auftritt) übereinander wegscheren. Im einfachen Fall einer isotropen Unterätzung einer Maskierungsschicht, die zur Entfernung der darunter befindlichen Funktionsschicht dient, sind dies zwei annähernd halbkreisförmige Ätzfronten, die sich schneiden und daher eine Spitze bilden.

Realisiert werden kann diese Methode dadurch, daß bei der Übertragung der Cantilevergeometrie 16 nur noch der Umriß 38 des Cantilevers inklusive Halterbereich 32 in Form eines dünnen Spaltes 40 (gemäß Figur 6a) in den Photoresist übertraten wird, wobei allerdings der Umriß vorn an der Spitze nicht geschlossen ist, sondern durch eine Unterbrechung 42 getrennt bleibt. Wird nun das Material beginnend beim offen liegenden Spalt durch Ätzen entfernt, so wird der Photoresist oder auch eine möglicherweise noch vorhanden Maskierungsschicht allseitig unterätzt, und schließlich scheren die beiden Ätzfronten 44,46 beziehungsweise 48,50, die jeweils rechts und links vorn am Spalt 40 der Cantileverspitze 12 getrennt waren, übereinander hinweg. Als Folge daraus ergibt sich die in der Zeichnung durch Bereich 44,46 beziehungsweise 48,50 umschlossene, innere Fläche als Cantilever/Halterstruktur mit der integrierten Spitze. Jetzt weist das vordere Ende des Cantilevers eine wirkliche geometrische Spitze auf.

Dieses Verfahren hat einen ganz wesentlichen Vorteil gegenüber dem üblichen Ätzverfahren zur Herstellung von Spitzen, da es ein selbstjustierender Prozeß ist. Überschneiden sich die beiden Ätzfronten erst einmal, so führt ein weiteres Ätzen nur dazu, daß die Spitze zum aktuellen Schnittpunkt der beiden Ätzfronten verschoben wird, aber dennoch spitz bleibt. Dies wurde in Figur 6b dadurch angedeutet, daß jeweils zwei Ätzfronten eingezeichnet sind. Die Ätzfronten 44,46 geben den Zeitpunkt wieder, an dem gerade das Überschneiden der beiden Ätzfronten 44,46 auftritt, die Ätzfronten 48,50 treten zu einem späteren Zeitpunkt auf. Die Spitze als Schnittpunkt der beiden Ätzfronten 48,50 ist nach wie vor erhalten geblieben, aber etwas nach unten gerutscht gegenüber der Spitze der Ätzfronten 44,46, ergibt also allenfalls eine weniger hohe Spitze auf dem Cantilever. Die Schicht, die außerhalb des Spaltes liegt interessiert nicht weiter, da sie die Definition des Cantilevers nicht behindert.

Im Gegensatz zu Toda et al. der den Cantilever inklusive Spitze aus dem Substratmaterial formt, wird hier das Substrat nicht zwingend als Biegebalken-und Spitzenmaterial benutzt. Dies eröffnet aber eine völlig neue Möglichkeit die Cantileversonde zu funktionalisieren.

Natürlich wird die Lithographie in der Wanne von Beugungsphänomenen begleitet sein, allerdings können diese durch geeignete Projektionsverfahren (zum Beispiel Röntgen- oder Ionenstrahllithographie) gut kontrolliert beziehungsweise reduziert werden. Andererseits stören diese Effekte nicht unbedingt, da dadurch nur die Form jedes Cantilevers leicht (aber reproduzierbar identisch) verändert wird.

Die Besonderheiten und Vorzüge des neuen Verfahrens lassen sich wie folgt zusammenfassen : Das Verfahren zur Herstellung von Sonden für die Rastersondenmikroskopie, die aus einem mechanischen Biegebalken mit integrierter Spitze und einem integrierten Halterelement- kurz Cantilever genannt-bestehen, beruht auf folgendem Prinzip : Es wird die Möglichkeit genutzt, durch eine optische Parallelprojektion einer Maske auf ein bereits strukturiertes Substrat eine dreidimensionale Struktur herzustellen, die den Umriß der Maske und die Topologie des Substrats annimmt. Im Fall des Cantilevers wird dazu das Ende einer planparallelen Cantileverstruktur auf die Seitenwand einer Vertiefung projiziert. Dadurch entsteht eine Cantileverstruktur, dessen Topologie dem strukturierten Substrat und dessen UmriB der projizierten Maske entspricht (siehe Abb. 1) und in Form einer Schicht übertragen wird.

Anstelle der Projektionsmaske können fokussierte Teilchenstrahlen zur Übertragung der Geometrie benutzt werden.

Die Topologie des herzustellenden Bauelements kann durch die Art des Ätzprozesses beeinflußt werden (siehe auch Abb. 2).

Beim reinen anisotropen Ätzen ergibt sich zum Beispiel im Fall von (100) Si-Oberflächen die typischen (111) orientierten Seitenwände und damit die entsprechende Neigung der Spitze wie es schematisch in Abb. 2a) gezeigt ist. Beim isotropen Ätzen ergibt sich ein viertelkreisförmiger Querschnitt der Seitenwand (Abb. 2b)). Dies ist sehr vorteilhaft für den Einsatz im Rastersondenmikroskop, da die Spitze sehr leicht senkrecht zur Oberfläche der zu untersuchenden Probe gebracht werden kann. Es ist auch möglich, eine unterätzte Struktur der Seitenwand gemäß Abb. 2c) zu benutzen, wobei dann in Schattenprojektion an dieser unterätzten Struktur sehr scharfe Kanten der abgeformten Struktur erhalten werden können. Die Struktur der Sonde wird allenfalls durch das technologisch Machbare begrenzt.

Die Struktur wird in eine Schicht oder ein Schichtsystem auf einem Substrat übertragen. Jede dieser Schichten kann ebenfalls beliebig strukturiert sein und braucht auch in ihrer Dicke nicht homogen zu sein, das heißt zum Beispiel daß der Biegebalken und die Spitze aus verschiedenem Material sein können, indem in ein Schichtsystem eine Vertiefung variierender Dicke übertragen wurde. Als abzuscheidendes Material können Schichten von beliebigem Materialien : wie zum Beispiel Metalle, Dielektrika, Halbleiter, Polymere etc., benutzt werden. Dies ermöglicht es, beliebige schichtförmig aufgebaute Bauelemente elektronischer, magnetischer und optischer Struktur in die herzustellende Struktur zu integrieren, wie zum Beispiel Metall/Metall-Thermoelemente, Halbleiter/Metall-Bauelemente (Schottkydioden), lichtempfindliche Photodioden, optische Wellenleiter, Mikrowellenleitungen etc.

Die Geometrie des Cantilevers (die Geometrie wird hier als diejenige in der (x, y)-Ebene aufgefaßt (siehe auch Abb. 1)) kann durch die projizierte Geometrie beliebig verändert werden, wie zum Beispiel ein Einzelcantilever, ein V-förmiger Cantilever aus zwei Schenkeln usw.. Es können auch mehrere Cantilever auf der gleichen Seitenwand einer Vertiefung hergestellt werden. Weiterhin können gleichzeitig an den gegenüber und auch seitlich liegenden Seitenwänden ebenfalls Cantileverstrukturen hergestellt werden. Es können zur Erhöhung des Flächenträgheitsmoments des Cantilevers vor der Materialabscheidung auch weitere Vertiefungen in die Form durch Ätzprozesse übertragen werden ; das heißt der Querschnitt kann von einer planparallelen Platte zu einer aufwendigeren Struktur verändert werden (zum Beispiel können durch anisotropes Ätzen V-förmige Vertiefungen erhalten werden, die ein deutlich erhöhtes Flächenträgheitsmoment aufweisen.) Die geometrische Form der Spitze (die Geometrie wird hier als diejenige in der (x, y)-Ebene aufgefaßt (siehe auch Abb. 1)) kann beliebig abgewandelt werden. Sie kann beispielsweise eine spitze, kreisförmige, dreieckige oder andersartige Geometrie aufweisen. Es ist auch möglich an Stelle einer einzelnen auch zwei oder mehrere Spitzen zu integrieren.

Zur Abformung kann auch polykristallines Material (zum Beispiel polykristalliner Diamant, der dotiert sein kann und damit elektrisch leitfähig ist), benutzt werden. Nach dem Freiätzen der Struktur ist die glatte Wachstumsseite, das heißt die Seite, die im Kontakt mit dem Substrat ist, auf der der Spitze abgewandten Seite. Das bedeutet, daß auf dieser glatten Fläche auch ein Laserstrahl (en) ohne starke optische Streuung reflektiert werden kann und somit eine optische MeBtechnik (wie zum Beispiel die beam deflection Methode oder die Interferometrie) zur Messung der Biegebalkenauslenkung benutzt werden kann. Zusätzlich ergibt sich als Vorteil, daß dort eine mögliche Zwischenschicht zwischen Substrat und deponiertem Film, die nicht die Qualität des Vollmaterials hat, auf der der Spitze abgewandten Seite liegt, das heißt das Material der Spitze weist eine bessere Qualität auf.

Die Form der Cantileversonde wird in eine Schicht übertragen, die als Schablone für die lokale Diffusion von Dotierstoffen in das Substrat benutzt wird. So könnte beispielsweise im Fall eines Siliziumsubstrats eine Bordotierung der Cantileverzone vorgenommen werden, die es erlaubt, einen Ätzstopp zu realisieren. Es ist bekannt, daß zum Beispiel dotierte Siliziumstrukturen mit einer hohen Bor-Dotierung nur noch eine sehr geringe Ätzrate gegenüber KOH aufweisen und somit zur Herstellung von Ätzstoppschichten benutzt werden. Dies könnte dazu verwendet werden, Cantilever homogener Dicke (über das Dotierstoffprofil des Dotanden) und insbesondere solcher sehr geringer Dicke herzustellen. Die Dotierung kann mit beliebigen Verfahren (thermische Diffusion, Ionenimplantation, etc.) erfolgen. Es kann aber auch durch Diffusion und Reaktion mit Sauerstoff gemäß dem LOCOS-Verfahren (und seinen Abwandlungen) gezielt eine Oxidation der Struktur durchgeführt werden, um zum Beispiel dünne Cantilever aus oxidiertem Materialien herzustellen.

In die Struktur wird ein lokaler Dotierstoffeintrag vorgenommen oder aber eine lokale Veränderung des Substratmaterials an der Stelle der Struktur, zum Beispiel als Ätzstoppschicht, genutzt, um von der Cantileverseite das Substrat zu ätzen. An Stelle der Struktur könnte auch der Bereich außerhalb der Struktur verändert werden, um dort die Eigenschaften des Materials gezielt zu variieren mit dem Ziel, die Struktur einfacher herzustellen.

Elektrisch leitfähige, abgeformte Schichten werden als Startschicht für eine galvanische Abscheidung von anderen Schichten beziehungsweise Schichtsystemen wie zum Beispiel Metallen, Polymeren etc. benutzt. In die Startschicht kann auch eine lokale Dotierung eingebracht werden.

Bezugszeichenliste 10-Cantileversonde 12-Spitze 14-Biegebalken 16-Cantilevergeometrie 18-Substrat 20-Maske 22-Gerade 24-Gerade 26-Ebene 28-Ebene 30-gekrümmte Fläche 32-Halterbereich 34-Halterelement 36-Maske zur Halterelementdefinition 38-Umriß 40-Spalt 42-Unterbrechung 44-Ätzfront zu einem 1. Zeitpunkt 46-Ätzfront zu einem 1. Zeitpunkt 48-Ätzfront zu einem 2., späteren Zeitpunkt 50-Ätzfront zu einem 2., späteren Zeitpunkt Literaturverzeichnis [1] US 5,789,666 A.

[2] T. Trenkler, T. Hantschel, R. Stephenson, P. De Wolf, W.

Vandervorst, L. Hellemans, A. Malave, D. Büchel, E.

Oesterschulze, W. Kulisch, P. Niedermann, T. Sulzbach, and O. Ohlson. Evaluating probes for'electrical'atomic force microscopy. Paper submitted to J. Vac. Sci.

Technol., 1998.

[3] US 4,307,507 A.

[4] US 4,312,117 A..

[5] US 4,916,002 A.

[6] US 5,066,358 A.

[7] US 5.221,415 A.

[8] US 5,399232 A.

[9] EP 0 786 642 A1.

[10] US 5,116,462 A.

[11] US 5,386,720 A.

[12] US 5,883,387 A.

[13] E. Oesterschulze, W. Scholz, C. Mihalcea, D. Albert, B.

Sobisch, and W. Kulisch. Fabrication of Small Diamond Tips for Scanning Probe Microscopy Application, Appl.

Phys. Lett., 70 : 435-437,1996.

[14] W. Kulisch, A. Malave, G. Lippold, C. Mihalcea, and E.

Oesterschulze. Fabrication of Integrated Diamond Cantilevers with Tips for SPM Applications, Diamond.

Relat. Mater., 6 : 906-911,1997.

[15] W. Scholz, D. Albert, A. Malave, S. Werner, Ch. Mihalcea, W. Kulisch, and E. Oesterschulze. Fabrication of Monolithic Diamond Probes for Scanning Probe Microscopy Applications, In SPIE proceedings volume 3009-09, pages 61-71,1997.

[16] C. Mihalcea, W. Scholz, A. Malave, D. Albert, W. Kulisch, and E. Oesterschulze. Fabrication of monolithic diamond probes for scanning probe microscopy applications, Appl.

Phys. A}, 66 : 87-90,1998.

[17] W. Kulisch, D. Albert, A. Malave, W. Scholz, C. Mihalcea, S. Werner, and E. Oesterschulze. Fabrication of diamond sensors for SPM applications. Paper presented at the 8th European Conference on Diamond, Diamond-Like and Related Material (DIAMOND'97), Edinburgh, 1997.

[18] T. Hantschel, T. Trenkler, W. Vandervorst, A. Malave, D.

B chel, W. Kulisch, and E. Oesterschulze. Tip-on-tip : a novel AFM tip configuration for the electrical characterization of semiconductor devices. Paper presented at the International Conference Mircro-and Nanoengineering 09 (MNE98), Leuven, Belgium ; submitted to Microelectronic Engineering, 1998.