DE19638977A1 - Force microscopy probe - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Kraftmikroskopiesonde mit einem elektrisch leitfähigen Federbalken und einer elektrisch leitfähigen Sondenspitze.The invention relates to a force microscope probe with a electrically conductive cantilever and one electrically conductive probe tip.
In der Halbleitertechnologie und in der Mikroelektronik wer den die Strukturabmessungen immer kleiner. Bei der Speicher produktion werden heutzutage Strukturen mit einer Breite von weniger als 400 nm erzeugt; hierbei wird die optische Litho graphie in Verbindung mit der Maskentechnik eingesetzt. Auf grund von Beugungseffekten ist bei der optischen Lithographie bei ca. 150 nm eine Grenze zu erwarten. Für neuartige Anwen dungen, wie Ein-Elektron-Transistoren oder molekularelektro nische Bauelemente, sind aber Strukturen mit noch geringeren Abmessungen erforderlich. Dies gilt im Falle sehr hoher Inte grationsdichten auch für die konventionelle Elektronik.In semiconductor technology and in microelectronics who the structure dimensions are getting smaller. At the store Nowadays, structures with a width of generated less than 400 nm; this is the optical litho graphics used in connection with the mask technique. On Diffraction effects in optical lithography a limit is to be expected at approx. 150 nm. For new types of users such as one-electron transistors or molecular electro African components, but are structures with even smaller ones Dimensions required. This applies to very high integers dense density also for conventional electronics.
Möglichkeiten zur Erzeugung derartig kleiner Strukturen bie tet die Röntgenlithographie, mit der - aufgrund der kürzeren Wellenlänge - auch Abmessungen unter 100 nm abgebildet werden können. Hierbei ergeben sich aber Probleme bei den erforder lichen Masken und bei der Positionierung. Dies ist bei der Elektronen- und Ionenstrahllithographie nicht der Fall. Da dies direkt-schreibende Methoden sind, benötigen sie nämlich keine Masken. Bei der Elektronen- und Ionenstrahllithographie können mit hochenergetischen Teilchen Strukturen bis hinab zu 10 nm erzeugt werden. Hierzu sind aber aufwendige Vakuum anlagen und Strahlführungssysteme erforderlich. Außerdem treten Probleme durch die Elektronenstreuung auf, die in manchen Fällen zu Strahlenschäden im Substrat führen. Possibilities for creating such small structures bie X-ray lithography, with which - due to the shorter Wavelength - dimensions below 100 nm can also be mapped can. However, there are problems with the required masks and positioning. This is with the Electron and ion beam lithography is not the case. There because these are direct-writing methods, you need them no masks. In electron and ion beam lithography can structure down to high-energy particles 10 nm can be generated. However, this requires complex vacuum systems and beam guidance systems required. Furthermore problems occur due to electron scattering that occur in lead to radiation damage in the substrate in some cases.
Eine neuartige Möglichkeit der Strukturierung bieten die Rasternahfeldtechniken, insbesondere die Rastertunnelmikro skopie (STM = Scanning Tunneling Microscopy) und die Raster kraftmikroskopie (SFM = Scanning Force Microscopy). Bei allen Rasternahfeldtechniken wird eine feine, spitze Sonde in kon stant gehaltenem Abstand über die Probenoberfläche bewegt und auf diese Weise die Topographie abgetastet. Zur Abstandsregu lierung dienen dabei Wechselwirkungen zwischen der Proben oberfläche und der Sondenspitze. Zusätzlich zur reinen Abbil dung kann die Probenoberfläche aber auch mit einer entspre chenden Nahfeldsonde durch mechanische, elektronische, chemi sche und optische Effekte modifiziert werden. Dabei ist keine Fokussierung erforderlich, weil in der unmittelbaren Umgebung der Sonde nur Form und Größe der Sondenspitze für die Abmes sungen der erzeugten Strukturen wichtig sind.The offer a new way of structuring Raster near field techniques, especially the raster tunnel micro scopie (STM = Scanning Tunneling Microscopy) and the grid force microscopy (SFM = Scanning Force Microscopy). At all Scanning near field techniques is a fine, pointed probe in con constant distance moved over the sample surface and scanned the topography in this way. For distance control interactions between the samples surface and the probe tip. In addition to the pure illustration However, the sample surface can also be covered with a near-field probe through mechanical, electronic, chemi ces and optical effects are modified. There is none Focusing required because in the immediate area the probe only shape and size of the probe tip for the dimensions solutions of the generated structures are important.
Bei der Rasterkraftmikroskopie wird eine Sonde, die eine Spitze mit einem Krümmungsradius von 10 bis 100 nm aufweist, über die Probenoberfläche geführt. Diese Spitze befindet sich am Ende eines wenige hundert Mikrometer langen und ca. 0,5 bis 2 µm dicken rechteckigen oder dreieckigen Federbalkens. Repulsive oder attraktive Kräfte zwischen Probe und Spitze verbiegen den Federbalken entsprechend. Die Verbiegung des Federbalkens wird mit optischen oder anderen Methoden gemes sen und erlaubt es, die Gestalt der Probenoberfläche im Nano meter-Maßstab aufzunehmen.Atomic force microscopy uses a probe that is a Has a tip with a radius of curvature of 10 to 100 nm, passed over the sample surface. This tip is located at the end of a few hundred microns long and about 0.5 up to 2 µm thick rectangular or triangular cantilever. Repulsive or attractive forces between sample and tip bend the cantilever accordingly. The bending of the The cantilever is measured using optical or other methods and allows the shape of the sample surface in the nano meter scale.
Zur Strukturierung von Oberflächen wird die Sondenspitze als Quelle für stark lokalisierte, niederenergetische Elektronen verwendet, um so - ähnlich wie in der Elektronenstrahllitho graphie - Resistmaterialien zu belichten. Strahlführungs- und Fokussierungssysteme sind dabei - aufgrund des Nahfeldes - nicht erforderlich. Im Gegensatz zur Elektronenstrahllitho graphie kann unter Umgebungsbedingungen gearbeitet werden, so daß aufwendige Vakuumanlagen entfallen. Außerdem sind keine Strahlenschäden zu erwarten, weil dafür die Elektronenenergie zu gering ist.The probe tip is used for structuring surfaces Source for highly localized, low-energy electrons used so - similar to the electron beam litho graphie - to expose resist materials. Beam guiding and Focusing systems are - due to the near field - not mandatory. In contrast to the electron beam litho graphie can be worked under ambient conditions, so that elaborate vacuum systems are eliminated. Besides, there are none Radiation damage can be expected because of the electron energy is too low.
Zur Belichtung wird der elektronenempfindliche Lack auf ein leitfähiges Substrat aufgebracht und zwischen dem Substrat und einer leitfähigen Kraftmikroskopiesonde eine elektrische Spannung angelegt. Zwischen Sondenspitze und Substrat fließen dann Elektronen und bewirken chemische Reaktionen. Auf diese Weise entsteht ein latentes Bild, das in einem nachfolgenden Entwicklungsschritt in echte Strukturen umgewandelt wird.For exposure, the electron-sensitive varnish is applied to a conductive substrate applied and between the substrate and a conductive force microscope probe an electrical Voltage applied. Flow between the probe tip and the substrate then electrons and cause chemical reactions. To this In this way, a latent image emerges, which in a subsequent one Development step is transformed into real structures.
Zwischen der leitfähigen Kraftmikroskopiesonde und dem leit fähigen Substrat befindet sich die dünne isolierende Resist schicht (Dielektrikum). Diese Anordnung stellt somit einen elektrischen Kondensator dar, der durch das Anlegen einer elektrischen Spannung, im vorliegenden Fall die Belichtungs spannung, aufgeladen wird. Die Aufladung führt zu einer elek trostatischen Anziehung zwischen Kraftmikroskopiesonde und Substrat, welche die Auflagekraft der Spitze auf dem Lack wesentlich erhöht. Ohne angelegte Spannung wird die Auflage kraft von den wesentlich kleineren Kräften, die aus der ela stischen Verbiegung des Federbalkens resultieren, bestimmt. Die Oberflächenhärte des Lackes ist hierbei ausreichend hoch, um das Eindringen der Spitze - aufgrund der elastischen Kräfte - zu verhindern. Die wesentlich höheren elektrosta tischen Kräfte bewirken jedoch, daß die Spitze die gesamte Lackschicht durchdringt.Between the conductive force microscope probe and the conductive capable substrate is the thin insulating resist layer (dielectric). This arrangement thus represents one electrical capacitor, which is created by applying a electrical voltage, in this case the exposure voltage, is charged. The charge leads to an elec trostatic attraction between force microscope and Substrate, which is the contact force of the tip on the paint significantly increased. If the voltage is not applied, the edition force from the much smaller forces resulting from the ela static bending of the cantilever result. The surface hardness of the paint is sufficiently high to penetrate the tip - due to the elastic Forces - to prevent. The much higher elektrosta However, forces cause the tip to cover the entire Lacquer layer penetrates.
Über mechanische Schädigungen von Resistmaterialien, die durch elektrostatische Kräfte verursacht werden, bzw. über notwendige Eliminierungsmaßnahmen wurde bislang noch nicht berichtet. Dafür dürften im wesentlichen zwei Gründe aus schlaggebend sein:About mechanical damage to resist materials that caused by electrostatic forces, or over The necessary elimination measures have not yet been carried out reported. There are two main reasons for this to be decisive:
- - Bisher wurde bei Belichtungsexperimenten mit dem Raster kraftmikroskop als Resistmaterial im allgemeinen Poly methylmethacrylat (PMMA) eingesetzt. Neuerdings werden aber bevorzugt sogenannte CARL-Lacke eingesetzt (CARL = Chemical Amplification of Resist Lines), und zwar aus folgenden Gründen. PMMA besitzt im Gegensatz zu CARL-Lacken zwar eine wesentlich höhere Oberflächenhärte, gravierende Nachteile von PMMA gegenüber den CARL-Lacken sind aber die deutlich geringere Empfindlichkeit und die fehlende Möglichkeit zur chemischen Verstärkung nach der Entwicklung.- So far, exposure experiments with the grid Force microscope as a resist material in general poly methyl methacrylate (PMMA) used. Recently, however preferably so-called CARL varnishes used (CARL = Chemical Amplification of Resist Lines), from the following Establish. In contrast to CARL coatings, PMMA has one much higher surface hardness, serious disadvantages of PMMA compared to the CARL lacquers are clear less sensitivity and the lack of possibility to chemical reinforcement after development.
- - Es wurden bisher nur relativ dünne PMMA-Schichten einge setzt (20 bis 25 nm). Die für solche Schichtdicken notwen digen Belichtungsspannungen sind aber mit ca. 20 V relativ klein. Da die elektrostatischen Kräfte von der angelegten Spannung quadratisch abhängig sind, sind für derart nie drige Spannungen noch keine mechanischen Schädigungen an harten Lacken zu erwarten.- So far, only relatively thin PMMA layers have been used sets (20 to 25 nm). The necessary for such layer thicknesses exposure voltages are relative at about 20 V, however small. Because the electrostatic forces from the applied Voltage are dependent on the square are never for such other voltages do not indicate any mechanical damage hard paints to be expected.
Auch bei anderen Anwendungen der Kraftmikroskopie, beispiels weise bei der Messung von Potentialverteilungen auf Oberflä chen, bei der elektrischen Charakterisierung dünner dielek trischer Schichten (ca. 2 bis 50 nm) durch lokale Tunnel strommessungen und bei lokalen Kapazitätsmessungen, ist das Anlegen einer elektrischen Spannung an die leitfähige SFM-Sonde erforderlich. Hierbei wirken sich die elektrostatischen Kräfte ebenfalls störend auf die Empfindlichkeit und die Auf lösung aus.Also in other applications of force microscopy, for example wise when measuring potential distributions on surfaces Chen, in the electrical characterization of thin dielek layers (approx. 2 to 50 nm) through local tunnels current measurements and local capacity measurements, that's it Applying an electrical voltage to the conductive SFM probe required. This affects the electrostatic Forces also interfere with the sensitivity and the up solution.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine - einen Federbalken und eine Sondenspitze aufweisende - Kraftmikroskopiesonde der eingangs genannten Art in der Weise auszugestalten, daß die im Betrieb auftretenden elektrostatischen Kräfte weitgehend eliminiert werden. Dadurch soll insbesondere verhindert werden, daß bei der Strukturierung von Resistschichten mit tels Rasterkraftmikroskopie die Resistschicht während der Belichtung durch die Bewegung der Sondenspitze mechanisch geschädigt wird. The object of the invention is a - a cantilever and a probe tip having a force microscope type mentioned in such a way that the electrostatic forces occurring during operation largely be eliminated. This is said to prevent in particular be that with the structuring of resist layers with atomic force microscopy the resist layer during the Exposure mechanically by the movement of the probe tip is damaged.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Feder balken mit einer Abschirmelektrode versehen ist, und daß zwischen Abschirmelektrode und Federbalken eine elektrisch isolierende Schicht angeordnet ist.This is achieved according to the invention in that the spring bar is provided with a shielding electrode, and that an electrical between shielding electrode and cantilever insulating layer is arranged.
Ein Kraftmikroskopiesensor der üblichen Bauart besteht aus einem Federbalken mit einer am Ende integrierten Spitze. Für diese Art von Rastersondenlithographie sind üblicherweise beide Elemente, Federbalken und Spitze, leitfähig und er zeugen damit elektrostatische Kräfte. Die Kraftbeiträge von Federbalken und Spitze sollen im folgenden abgeschätzt wer den.A force microscope sensor of the usual type consists of a cantilever with a tip integrated at the end. For these types of scanning probe lithography are common both elements, cantilever and tip, conductive and he thus generate electrostatic forces. The power contributions from The cantilever and tip should be estimated below the.
Länge und Breite des Federbalkens sind relativ groß im Ver gleich zum Arbeitsabstand zwischen Federbalken und leit fähiger Probenoberfläche, so daß diese Anordnung in guter Näherung als Plattenkondensator betrachtet werden kann. Für die elektrostatische Anziehungskraft Felstat zwischen zwei Kondensatorplatten mit der Fläche A, die parallel zueinander im Abstand d stehen und an denen eine Spannung U anliegt, gilt:Length and width of the cantilever are relatively large compared to the working distance between the cantilever and conductive sample surface, so that this arrangement can be considered in good approximation as a plate capacitor. The following applies to the electrostatic attraction force Felstat between two capacitor plates with the area A, which are parallel to one another at a distance d and to which a voltage U is applied:
Felstat = 1/2 ε₀ ε A (U/d)². Fstat = 1/2 ε₀ ε A (U / d) ².
Dabei ist ε₀ die Influenzkonstante und e die Dielektrizitäts konstante des umgebenden Materials, das hier im wesentlichen Luft ist; ε = 1 stellt somit eine sehr gute Näherung dar. Für einen rechteckigen Federbalken mit einer Breite von 50 µm und einer Länge von 450 µm beträgt die Fläche A = 0,0225 mm². Der Abstand d ist bei parallel zur Probenoberfläche justiertem Federbalken gleich der Summe aus der Höhe der Spitze (ca. 12 µm) und der Schichtdicke des Resistmaterials (ca. 50 nm). Typischerweise ist der Federbalken leicht (≈ 15°) in Richtung Spitze geneigt, so daß der mittlere Abstand etwas größer als 12 µm ist und damit die erzeugten Kräfte etwas geringer sind als die bei den angegebenen Werten resultierende KraftHere ε₀ is the influence constant and e is the dielectric constant of the surrounding material, which is essentially here Air is; ε = 1 is therefore a very good approximation a rectangular cantilever with a width of 50 microns and A length of 450 µm is the area A = 0.0225 mm². Of the Distance d is adjusted parallel to the sample surface Cantilevers equal to the sum of the height of the tip (approx. 12 µm) and the layer thickness of the resist material (approx. 50 nm). The cantilever is typically slightly (≈ 15 °) in the direction Tip inclined so that the mean distance is slightly larger than Is 12 µm and therefore the forces generated are somewhat lower than the force resulting from the given values
Felstat = 0, 7·U² [nN/V²]. Fstat = 0.7 · U² [nN / V²].
Für die durch die Spitze bewirkte elektrostatische Anziehung ist eine einfache Abschätzung wegen der Kegelgeometrie nicht möglich. Die Zerlegung des Kegels in kleine konzentrische Kreise, die als Plattenkondensatoren mit jeweils konstantem Abstand zur Probenoberfläche aufgefaßt werden können, erlaubt aber eine grobe Abschätzung der Kräfte. Die Integration über den gesamten Kegel mit Radius R und halbem Öffnungswinkel α ergibt dann:For the electrostatic attraction caused by the tip is not a simple estimate because of the cone geometry possible. Breaking down the cone into small concentric ones Circles acting as plate capacitors, each with constant Distance to the sample surface can be understood, allowed but a rough estimate of the forces. The integration over the entire cone with radius R and half the opening angle α then results in:
Felstat = π ε₀ ε U² tan²(α)·[ln(1+R/s·tan(α))-R/s·tan(α)+R]. Fstat = π ε₀ ε U² tan² (α) · [ln (1 + R / s · tan (α)) - R / s · tan (α) + R].
Dabei ist s der Abstand der Kegelspitze von der Probenober fläche, d. h. die Resistdicke von ≈ 50 nm. Bei den verwendeten Spitzen beträgt der Öffnungswinkel ca. 35° und somit der Radius R ca. 4 µm. Damit ergibt sich die von der Spitze be wirkte elektrostatische Anziehung zuS is the distance between the tip of the cone and the top of the sample area, d. H. the resist thickness of ≈ 50 nm The opening angle is about 35 ° and thus the peak Radius R approx. 4 µm. This results in be from the top acted on electrostatic attraction
Felstat = 0,004·U² [nN/V²]. Fstat = 0.004 · U² [nN / V²].
Diese grobe Abschätzung ergibt, daß die von der Spitze ver ursachten Anziehungskräfte deutlich (≈ Faktor 100) geringer sind als diejenigen des Federbalkens. Der Kraftbeitrag der Spitze wird durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen nicht eli miniert. Die Wirksamkeit dieser Maßnahmen ist somit nur dann gewährleistet, wenn der Kraftbeitrag des Federbalkens um mindestens zwei Größenordnungen reduziert wird. Dies wird aber durch die Abschirmelektrode erreicht. This rough estimate shows that the ver attraction forces were significantly lower (≈ factor 100) are as those of the cantilever. The power contribution of Peak is not eli by the measures according to the invention mined. The effectiveness of these measures is only then guaranteed when the force contribution of the cantilever around is reduced by at least two orders of magnitude. this will but achieved through the shielding electrode.
Die Materialauswahl für die Abschirmelektrode ist relativ unkritisch. Praktisch kommen alle Metalle in Betracht, die haftfähig und abscheidbar sind. Dies sind beispielsweise Chrom, Aluminium, Titan, Nickel und Gold.The choice of material for the shielding electrode is relative not critical. Practically all metals come into consideration that are liable and separable. These are, for example Chrome, aluminum, titanium, nickel and gold.
Das Prinzip der in die Kraftmikroskopiesonde integrierten Abschirmelektrode kann in verschiedener Weise realisiert werden. Wesentlich ist, daß die Arbeitselektrode, welche die Stromzuführung zur Spitze bewirkt, von der Abschirmelektrode elektrisch getrennt ist. Als Arbeitselektrode kann entweder das Silicium von Federbalken und Spitze selbst verwendet werden oder aber eine Metallschicht, und zwar insbesondere dann, wenn Federbalken und Spitze aus Siliciumnitrid be stehen.The principle of the integrated in the force microscope probe Shielding electrode can be realized in different ways will. It is essential that the working electrode, which the Current supply to the tip causes from the shielding electrode is electrically isolated. As a working electrode, either the silicon from cantilever and tip itself used be or a metal layer, in particular when the beam and tip are made of silicon nitride stand.
Für die Arbeitselektrode werden Metalle eingesetzt, die keine isolierende Oxidschicht ausbilden. Dies sind insbesondere Edelmetalle, wie Gold, Platin und Palladium. Vorteilhaft ist auch die Verwendung einer amorphen kohlenstoffhaltigen Schicht (großer Härte und ausreichender elektrischer Leit fähigkeit), wie sie in der deutschen Patentanmeldung Akt.Z. 195 26 775.3 als Beschichtung für Rasterkraftmikros kopie-Sonden und Rastertunnelmikroskopie-Spitzen vorgeschlagen wird.Metals that are not used are used for the working electrode Form an insulating oxide layer. These are in particular Precious metals such as gold, platinum and palladium. It is advantageous also the use of an amorphous carbonaceous Layer (great hardness and sufficient electrical conductivity ability), as described in German patent application Akt.Z. 195 26 775.3 as coating for atomic force micros Copy probes and scanning tunneling microscopy tips are proposed becomes.
Die elektrisch isolierende Schicht, die vorteilhaft aus Sili ciumdioxid oder aus Materialien wie Polyimid, Polybenzoxazol, Benzocyclobuten und organischen Spin-on-gläsern besteht, weist vorteilhaft eine Schichtdicke 50 nm auf, vorzugsweise 500 nm. Dadurch ist bei den verwendeten Spannungen eine ausreichende Durchschlagsfestigkeit gegeben. Dient zur elek trischen Isolierung eine Schicht aus einem der genannten Ma terialien, so befindet sich zwischen dieser Schicht und dem Federbalken eine Metallschicht als Arbeitselektrode. The electrically insulating layer, which is advantageously made of sili cium dioxide or from materials such as polyimide, polybenzoxazole, Benzocyclobutene and organic spin-on glasses, advantageously has a layer thickness of 50 nm, preferably 500 nm. This means that the voltages used are one given sufficient dielectric strength. Serves for elec trical insulation a layer of one of the above Ma materials, so there is between this layer and the Cantilever a metal layer as a working electrode.
Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Kraft mikroskopiesonde nach der Erfindung noch näher beschrieben.The following are preferred embodiments of the force Microscope probe according to the invention described in more detail.
Dient Silicium (Si) als Arbeitselektrode, so wird die Isola tionsschicht durch Oxidation des Siliciums erzeugt. Auf dieser Oxidschicht wird dann eine dünne Metallschicht, bei spielsweise aus Chrom, als Abschirmelektrode abgeschieden. In einem nachfolgenden Schritt wird die Si-Spitze noch von Me tall und Oxid befreit.If silicon (Si) serves as the working electrode, the isola tion layer generated by oxidation of the silicon. On this oxide layer then becomes a thin metal layer, at for example made of chrome, deposited as a shielding electrode. In In a subsequent step, the Si tip is still made by Me tall and oxide freed.
Besteht die Arbeitselektrode aus Metall, dann wird zunächst diese metallische Arbeitselektrode auf die Sonde aufgebracht. Dabei können Federbalken und Spitze entweder flächig be schichtet werden oder es wird ein schmaler Streifenleiter strukturiert. Der Streifenleiter bietet den Vorteil, daß durch die deutlich größere Abschirmelektrode auch Streufelder abgeschirmt werden. Die metallische Arbeitselektrode wird dann mit einer Isolationsschicht, beispielsweise aus Polyimid oder Polybenzoxazol, versehen. Nachfolgend wird die metalli sche Abschirmelektrode aufgebracht und dann die Sondenspitze freigelegt.If the working electrode is made of metal, then first applied this metallic working electrode to the probe. The cantilever and tip can either be flat be layered or it becomes a narrow stripline structured. The stripline has the advantage that stray fields due to the significantly larger shielding electrode be shielded. The metallic working electrode is then with an insulation layer, for example made of polyimide or polybenzoxazole. Below is the metalli cal shielding electrode applied and then the probe tip exposed.
In beiden Fällen eliminiert die Abschirmelektrode - bei ent sprechender Geometrie - den Kraftbeitrag des Federbalkens vollständig. Nur der wesentlich geringere Anteil der Spitze bleibt bestehen.In both cases the shielding electrode is eliminated - at ent speaking geometry - the force contribution of the cantilever Completely. Only the much smaller proportion of the tip remains.
Die vorstehend beschriebene Kompensations- bzw. Eliminie rungsmethode für die elektrostatischen Kräfte ist - über die Lithographie hinaus - auch bei anderen Kraftmikros kopie-Anwendungen einsetzbar. Dies gilt für alle Anwendungen, bei denen an die SFM-Sonde eine Spannung angelegt wird, aber keine elektrostatischen Kräfte auftreten dürfen.The compensation or elimination described above method for electrostatic forces is - via the Lithography beyond - also with other power micros copy applications can be used. This applies to all applications, at to which a voltage is applied to the SFM probe, however no electrostatic forces may occur.
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