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Hintergrund
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Techniken zur Herstellung ausgerichteter
integrierter Tunneleffektspitzen zur Verwendung in Sensoren und
Analysegeräten,
welche auf beweglichen selbstausrichtenden dünn zugespitzten Spitzenpaaren
basieren. Derartiger Paare werden auf Ein-Kristall-, polykristallinen oder
amorphen Silici umträgern
ausgebildet und sind vollständig
mit elektronischen Schaltkreisen auf einem Siliciumchip integrierbar.
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Rastersondenmikroskope
sind Instrumente, die präzise
Oberflächenmessungen
durch die Verwendung einer Sonde liefern, welche in sehr enger Nähe der interessierenden
Oberfläche
positioniert ist Die Sonde tastet die Oberfläche in einer gesteuerten Art
und Weise ab, um Information zu liefern, die sich auf die Natur
der Oberfläche
bezieht, einschließlich deren
Topographie sowie deren chemischer und elektronischer Struktur.
Hochaufgelöste
räumliche Messungen
von Eigenschaften, wie Elektronenenergiezuständen, magnetischen Feldstärken und
-richtungen, Wärmeleitfähigkeit
und thermischem Ansprechen sowie interatomaren Kräften, können mit hoher
Auflösung
auf oder nahe atomaren Niveaus gemacht werden. In vielen Versionen
solcher Einrichtung wird eine bewegbare zugespitzte Spitze benutzt,
die präzise
in drei Dimensionen positioniert werden kann.
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Eine
der prinzipiellen Anwendungen der Rastersondenmikroskopie zieht
Vorteile aus der räumlichen
Selektivität
der Elektronentunnelung, wobei eine Abtastsonde als die Apertur
bzw. Öffnung des
Mikroskops benutzt wird. Eine solche Einrichtung, die als Rastertunnelmikroskop
(STM) bekannt ist, verwendet keine externe Strahlungsquelle zur Beleuchtung
einer in Untersuchung befindlichen Probe, sondern verwendet stattdessen
Elektronen, die bereits auf der Oberfläche der Probe und einer fein-zugespitzten
Spitze, welche auf der beweglichen Sonde angebracht ist, vorhanden
sind. Da die Einrichtung nicht durch die Wellenlänge einer Strahlungsquelle
beschränkt
ist, basiert ihre Auflösung
auf einer Nahfeld-"Apertur
bzw. -Öffnung", d.h. einem einzigen
Atom im Durchmesser an der Spitze der Abtastsonde.
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Das
Rastertunnelmikroskop arbeitet dahingehend, daß eine extrem scharfe Sondenspitze
innerhalb weniger atomarer Durchmesser von einer zu untersuchenden
Oberfläche
positioniert wird. Das STM liefert eine Vorspannung zwischen der
Spitze und der Probe, so daß ein
Elektronenfluß auftritt,
wobei die Elektronen aus aufgefüllten
Zuständen
in der Oberfläche
zu leeren Zuständen
in der Spitze (oder umgekehrt) tunneln. Der Tunnelstrom wird an
mehreren Punkten quer über
die Oberfläche
der Probe gemessen, und da der Strom gemäß dem Abstand zwischen der
Spitze und der Oberfläche
variiert, kann dieser Strom dazu benutzt werden, die Spitzenhöhe über der
Oberfläche
so zu steuern bzw. regeln, daß der
Tunnelstrom konstant bleibt. Änderungen
in den Steuer- bzw. Regelsignalen für das Positionieren der Sonde
und zum Aufrechterhalten dieser Spitzenhöhe liefern ein Maß der Oberflächenkonfiguration.
Da der Tunnelstrom außerdem
eine Funktion der angewandten Spitze-zu-Probe-Spannung ist, gestattet
es eine Variation der Vorspannung über einen gesteuerten bzw.
geregelten Bereich, daß das
STM spektroskopische Daten über
die Probe liefert. Das Problem des Erzeugens einer extrem scharfen
Sondenspitze ist in der Vergangenheit z.B. dadurch gelöst worden,
daß ein
feiner Draht aus Wolfram, Platin oder Platin-Iridium durch Schneid-,
Schleif- oder Ätztechniken
fein geschärft
worden ist. Die Spitze wird mit Bezug auf die untersuchte Oberfläche typischerweise
mittels eines Grobpositionierungsmechanismus, welcher ein Mikrometer
oder einen ähnlichen
mechanischen Mechanismus aufweisen kann, und eines Feinpositionierungsmechanismus,
welcher die Verwendung eines piezoelektrischen Materials beinhalten
kann, positioniert. Solche Anordnungen haben es ermöglicht, die
STM-Spitze innerhalb von Bruchteilen eines Ångstroms gegenüber einer
Oberfläche
zu positionieren, so daß es
dadurch ermöglicht
wird, die Spitze dazu zu benutzen, kleine Mengen an Material oder sogar
einzelne Atome in einer Oberfläche
zu lokalisieren.
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Da
die Größe des Tunnelstroms
zwischen einer Sondenspitze und einer Oberfläche exponentiell von dem Abstand
zwischen den beiden abhängt,
erzeugt ein Abnehmen um ein Ångstrom
in diesem Abstand eine zehnfache Erhöhung im Tunnelstrom. Eine solche
große
Zunahme ermöglicht
die Verwendung eines Konstantstromverfahrens des Aufrechterhaltens
eines konstanten Abstands zwischen der abtastenden Spitze und der
Probenoberfläche,
und liefert demgemäß ein präzises Abfühlen und
eine präzise
Steuerung bzw. Regelung der räumlichen
Position der Spitze. Diese präzise
Steuerung bzw. Regelung ist die Basis für eine große Anzahl von Tunnel- bzw. Tunnelungseinrichtungen
und -systemen in dem Stand der Technik. Die Beschreibungen von Rastertunnelmikroskopen
sind zu finden in "Vacuum
Tunneling: A New Technique for Microscopy" von Calvin F. Quate, Physics Today,
August 1986, Seiten 26 bis 33; in "Scanned-Probe Microscopes" von H. Kumar Wickramasinghe,
Scientific American, Oktober 1989, Seiten 98 bis 105; und in dem
U.S. Patent 4 912 822 für
Zdeblick et al., das am 3. April 1990 herausgegeben worden ist.
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Ein
fortbestehendes Problem in solchen Einrichtungen ist das Vorsehen
eines genauen Abfühlens
des Abstands zwischen einer Spitze und einer abzufühlenden
Oberfläche,
und das Vorsehen einer schnellen und genauen Rückkopplung zum Bewegen der
Spitze, um einen Kontakt zwischen der Spitze und der Oberfläche zu verhindern.
Dieses erfordert ein Anbringen der Spitze mit niedriger Masse, so
daß selbst
winzige Rückkopplungssignale
ausreichend sind, um eine Bewegung der Spitze zur Ermöglichung
eines schnellen Abtastens einer Oberfläche zu bewirken. Weiter ist
es, damit sie in der Mikroelektronik brauchbar ist, nötig, daß die Einrichtung
nicht nur klein ist, sondern aus einem Material sein sollte, welches
sie befähigt,
integral mit den elektronischen Steuer- bzw. Regeischaltungen zu
sein, die ihre Bewegung regulieren und die den Tunnelstrom detektieren.
Vorzugsweise ist die Rastertunneleinrichtung aus Silicium, so daß sie auf
einem Siliciumchip integriert werden kann.
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Frühere Einrichtungen,
die auf piezoelektrischen Wandlern zum Folgen von Oberflächenkonturen
und zum Abtasten der Spitze beruhten, haben es erfordert, daß geeignete
piezoelektrische Einrichtungen auf der Spitze oder auf ihrem Träger montiert wurden.
Dieses hat den zusätzlichen
Herstellungsschritt des Vorsehens von piezoelektrischem Material auf
dem Spitzenträger
erfordert, was die Herstellung der Einrichtung komplizierter und
schwieriger macht. Weiterhin beeinträchtigt dieses zusätzliche
Material die Masse der Abtasttunneleinrichtung und demgemäß deren
Resonanzfrequenz, so daß dadurch
die Steuerung bzw. Regelung der Bewe gung der Einrichtung beschränkt wird
und demgemäß deren
Betriebs- bzw. Operationsbereich beschränkt wird.
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In
früheren
Abtasttunneleinrichtungen ist die Spitze benachbart einer abzutastenden
Oberfläche montiert
worden, wobei die Oberfläche
zur Bewegung in der X-Y-Ebene angebracht war, während die Spitze in der vertikalen
Richtung oder Z-Richtung bewegbar war, um einen Kontakt zwischen
der Spitze und der planaren Oberfläche zu verhindern. Um einen
hohen Grad an Steuerung bzw. Regelung einer solchen Bewegung vorzusehen,
hat es sich als notwendig erwiesen, derartige Einrichtungen so aufzubauen,
daß sie
relativ steif sind. Jedoch beschränkt eine solche Steifigkeit
nicht nur die Bewegung der Spitze, sondern vermindert außerdem deren
Ansprechen auf Kräfte,
wie Vibration oder Beschleunigung, so daß die Einrichtung weniger fähig ist,
diese Parameter mit hoher Empfindlichkeit zu messen. Weiterhin liefert
die Nähe
der Spitze zu einer sich horizontal erstreckenden planaren Oberfläche keinen
klar definierten Bezugspunkt für
die Detektion der Relativbewegung, so daß demgemäß die Verwendung dieser Einrichtungen
als Sensoren weiter beschränkt
wird.
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In
der
EP 0 262 253 A1 ist
ein mikromechanischer Sensorkopf beschrieben, welcher einen frei tragenden
Träger
mit einer scharf zugespitzten Spitze an einem Ende davon umfasst.
An einer Seite gegenüberliegend
zu der Spitze sind Erfassungsmittel bereitgestellt, welche sich
parallel zu dem frei tragenden Träger von einer gemeinsamen Basis
erstrecken. Ein Abstand ist zwischen dem frei tragenden Träger und
den Erfassungsmittel ausgebildet und ein Paar von Tunneleffektelektroden
ist an gegenüberliegenden
Oberflächen
des frei tragenden Trägers
an den Erfassungsmitteln angebracht. Die Tunneleffektelektroden
werden beschrieben, dass sie die Form von metallischen Erhöhungen oder
hauptsächlich
flache Metallbeschichtungen aufweisen.
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In
dem Artikel mit dem Titel „Formation
of Submicron Silicon-on-Isolator Structures by Lateral Oxidation
of Substrate-Silicon Islands",
Journal of Vacuum Science Technology B6(1), Januar/Februar 1988,
Seiten 341-345, von S. C. Arney et al., ist ein Verfahren zur Formgebung
isolierter Inseln in Silicium durch seitliche Oxidation beschrieben
Gemäß dieser
Druckschrift wird ein Siliciumsubstrat gestaltet, um eine aufrechte
Insel zu definieren, und die Insel wird maskiert und oxidiert, um
zumindest einen Teil des Siliciumsubstrats durch seitliches Oxidieren durch
die Siliciuminsel an dem Boden davon zu isolieren. Dies stellt eine
Siliciuminsel bereit, welche von dem Substrat durch die Oxidschicht,
welche während der
Oxidation ausgebildet wird, elektrisch isoliert ist. Die gemäß diesem
Verfahren hergestellte Siliciuminsel ist mechanisch mit dem Substrat
durch die Oxidschicht verbunden.
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Abriß der Erfindung
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, Verfahren zur Herstellung gegenüberliegender
selbstausrichtender Sondenspitzen im Nanometermaßstab bereitzustellen, welche
in Siliciumchips integriert sind.
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Noch
eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, Verfahren zur Herstellung
gestapelter ausgerichteter Tunneleffektsondenspitzen im Nanometermaßstab bereitzustellen,
wobei die Spitzen in Paaren oder in Paaren kombiniert mit einer
hervorstehenden einzelnen Spitze ausgebildet sind.
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Im
Hinblick auf diese Aufgaben stellt die vorliegende Erfindung ein
Verfahren gemäß Anspruch
1 bereit. Die abhängigen
Ansprüche
definieren bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
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Kurz
gesagt betrifft die vorliegende Erfindung verbesserte Tunneleffektsondenstrukturen,
Vorrichtungen und Instrumente, welche die in den herkömmlichen
Vorrichtungen gefundenen Mängel
bewältigen, und stellt
einheitliche Verfahren zur Herstellung derartiger Vorrichtungen
bereit. Dementsprechend stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren
zur Herstellung von Spitzenstrukturen zur Bereitstellung einer erhöhten Empfindlichkeit
für verschiedene
Instrumente bereit, wie zum Beispiel Rasterkraftmikroskope und Tunneleffektabtastsensorvorrichtungen,
und welche zum Messen verschiedener mechanischer, elektrischer oder
chemischer Parameter verwendet werden können. Die Erfindung stellt
außerdem
eine außergewöhnliche
Anbringungsstruktur für
Abtast-Tunnelungs-Spitzen zur Verfügung, welche sowohl die Detektion
als auch die Steuerung bzw. Regelung der Spitzenbewegung ermöglicht und
als auch außergewöhnliche übereinandergeschichtete Spitzenstrukturen
vorsieht. Die Erfindung stellt neuartige Techniken für die Herstellung
solcher Spitzen und der bewegbaren Träger, auf denen solche Spitzen
angebracht werden können,
zur Verfügung.
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Gemäß der Erfindung
werden die hohe Auflösung
und die ausgezeichnete Musterungsfähigkeit der Mikrofabrikationsprozesse
für integrierte
Schaltungen auf die Herstellung von mikromechanischen Tunnelungseinrichtungen
in Systemen angewandt, um ultrakleine Sensoren niedriger Masse zur
Verfügung
zu stellen, die hohe Eigenfrequenzen bei ausgezeichneter Toleranz
gegenüber
Störungen
durch schwaches bzw. tiefes Rauschen haben. Die Mikrofabrikationstechniken
der vorliegenden Erfindung verwenden in bevorzugten Ausführungsformen
die selektive Oxidation von Einkristallsilicium, um elektrisch und
thermisch isolierte, freigesetzte Einkristallsiliciumstrukturen,
wie Träger
und Inseln, zu erhalten, und um selbstausgerichtete bzw. -gefluchtete
Spitzen im Nanometermaßstab
zu erhalten, die von solchen Trägem
oder Inseln getragen sind. Andere Materialien, wie Siliciumoxid
und Siliciumnitrid, können außerdem dazu
benutzt werden, eine Isolation und Unterstützung bzw. einen Halter für solche
Spitzen und ihre haltenden Träger
vorzusehen. Die Verfahren der Erfindung erzeugen selbstausgerichtete
Spitzen, welche konische Formen oder Keilformen in entweder horizontalen
oder vertikalen Paaren oder Übereinanderschichtungen
auf bewegbaren Trägern
haben. Diese Träger
sind von dem darunterliegenden Substrat, wie durch selektives Entfernen
von tragendem Material, getrennt, um freitragende und isolierte Strukturen
vorzusehen, welche eine relative dreidimensionale Bewegung der Spitzen
in den fluchtenden Paaren gestatten.
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Das
Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung beginnt mit einer
Struktur, die z.B. aus einer Insel besteht, welche von einem darunterliegenden
Substrat durch selektive laterale Oxidation isoliert wird. Dieser
Oxidationsprozeß,
der vorzugsweise in einem Einkristallsiliciumsubstrat ausgeführt wird,
ist in dem zuvor aufgezeigten Artikel beschrieben, und erzeugt Inseln
aus Silicium, die durch ein thermisches Oxid getragen sind, welches
seinerseits durch ein Substratsilicium getragen ist. Der Prozeß beginnt
mit der Definition bzw. Begrenzung von z.B. 250 nm breiten Inseln
oder Tafeln bzw. Mesas in einem Substratmaterial, wie Einkristallsilicium.
Die Inseln sind aus dem gleichen Material wie das Substrat und sind
auf der oberen Substratoberfläche
getragen. Die Inseln werden auf der Oberseite und den Seitenwänden mit
einer Siliciumnitridoxidationsmaske abgedeckt. Die Struktur wird
dann isotrop oder anisotrop um den Boden der Maske vertiefungsgeätzt, um
die Basen der Inseln zu verengen, und die Basen werden in einer
seitlichen Richtung oxidiert, um isolierte Inseln zu erzeugen. Der
Grad der Isolation von jeder übrigbleibenden
Insel wird durch Steuern der seitlichen Oxidation des Materials,
welches die Inseln mit dem darunterliegenden Substrat verbindet,
zugeschnitten. Durch Steuern dieser Letzteren Oxidation wird das
Substratmaterial an den Basen der Inseln selektiv oxidiert, bis
sich verjüngende
Filamente des Substratmaterials von 10 bis 100 nm in der Weite zwischen
den Inseln und dem darunterliegenden Substrat ausgebildet sind.
Durch weitere Oxidation können diese
Filamente an den engsten bzw. schmalsten Teilen der sich verjüngenden
Verbindungen eliminiert werden, so daß eine obere und eine untere
selbstabgefluchtete, gegenüberliegende
Spitze bleibt, die Enden haben, welche bis zu dem Durchmesser des
verbindenden Filaments, oder weniger, verjüngen, so daß demgemäß an den Enden der Spitzen
Dimensionen im Nanometerbereich erzeugt werden.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird die Musterbildung und das Ätzen des Substrats zum Erzeugen
der Inseln auch dazu verwendet, einen Träger zu erzeugen, auf dem eine
der selbstabgefluchteten, gegenüberliegenden
Spitzen lokalisiert ist, während
die andere Spitze auf dem darunterliegenden Substrat lokalisiert
ist. Durch selektives Entfernen von oxidiertem Material von dem
Bereich um die Spitzen und um die Teile der Trägerstruktur wird der Träger mechanisch
freigesetzt, um es ihm zu ermöglichen,
sich mit Bezug auf das Substrat zu bewegen, so daß dadurch
eine Relativbewegung zwischen den beiden gegenüberliegenden selbstabgefluchteten Spitzen
vorgesehen wird. Diese Struktur gegenüberliegenden Spitzen kann in
mikroskopischen Versionen von analytischen Instrumenten verwendet
werden, welche vollständig
mit elektronischen Schaltungen auf einem Halbleiterchip integriert
sind. Solche Instrumente umfassen außergewöhnliche Sensoren und Emitter,
in denen die selbstabgefluchteten gegenüberliegenden Spitzen der Erfindung
inkorporiert bzw. eingebaut sind, und verwenden elektronische Schaltungen
auf dem gleichen Chip, welcher die Spitzen trägt und welcher z.B. die Relativposition
von einer Spitze mit Bezug auf die andere detektieren kann, die
Zusammensetzung von Beschichtungen bestimmen kann, welche auf den
Spitzen ausgebildet sind, oder die Zusammensetzung von Materialien, die
von den Spitzen absorbiert sind, und verschiedene andere Parameter
messen kann durch Detektieren und Messen der Tunnelungs- bzw. Tunnelströme, der
Kapazität
und/oder der Feldemissionen zwischen den Spitzen.
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In
ihrer einfachsten Form weist die Erfindung eine Herstellung eines
einzelnen Trägers
auf, der eine Spitze aus einem Paar von gegenüberliegenden, abgefluchteten
Spitzen trägt
und als ein Freiträger
mit einer langgestreckten Achse angebracht ist, die sich über eine
stationäre
Oberfläche
erstreckt, auf welcher die zweite Spitze des Paars von gegenüberliegenen
Spitzen lokalisiert ist. Der Abstand zwischen den beiden Spitzen
kann z.B. durch den Stromfluß zwischen
den Spitzen gemessen werden, und die laterale oder vertikale Bewegung
der trägermontierten Spitze
mit Bezug auf die stationäre
Spitze kann leicht detektiert werden, wie durch Messen der Änderungen
in den Stromfluß zwischen
den Spitzen, um eine Empfindlichkeitsindikation der Spitzenposition
oder -bewegung vorzusehen. Wenn es gewünscht wird, kann ein zweiter,
separater Freiträger-Träger mit
seiner Längsachse
unter einem Winkel zu der Achse des ersten Trägers angebracht sein, so daß es die Lateral-
und Vertikalbewegung der beiden Träger in Kombination wirksam
ermöglicht,
Vibration oder andere Bewegung in irgendeiner bzw. jeder Richtung
zu detektieren. Eine Mehrzahl von selbstabgefluchteten Spitzen kann
auf den Freiträger-Trägern und
auf der benachbarten Oberfläche
angebracht sein, um, wenn es gewünscht
wird, einen breiteren Bereich von Messungen vorzusehen, und es können zusätzliche
Träger
wie auch übereinandergeschichtete
Spitzen ebensogut vorgesehen sein.
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Die
Querschnittsformen der gegenüberliegenden
Spitzen hängen
von den Formen der Inseln ab, aus denen sie ausgebildet sind, und
von der präzisen
Steuerung der Ätz-
und Oxidationsschritte, die zum Ausbilden derselben angewandt werden.
Demgemäß können die
Spitzen generell konisch in der Form sein, sie können keilförmig sein, sie können pyramidal
sein, oder sie können
andere Querschnittsformen haben. Abgefluchtete, gegenüberliegende konische
Spitzen werden generell coaxial, wenn sie hergestellt sind, und
sie können
in irgendeiner bzw. jeder Ausrichtung auf einem Substrat sein. Generell sind
konische Spitzen auf einer Achse ausgerichtet, die senkrecht zu
der Oberfläche
des darunterliegenden Substrats ist, aber die Achse kann auch parallel zu
jener Oberfläche
sein, oder unter einem gewissen Zwischenwinkel oder einer anderen
Ausrichtung, wenn das gewünscht
wird. Keilförmige
Spitzen sind generell langgestreckt und verjüngen sich zu einer feinen Linie,
wobei gegenüberliegende,
abgefluchtete keilförmige
Spitzen coplanar sind. Solche keilförmige Spitzen sind gewöhnlich in
einer Ebene ausgerichtet, die senkrecht zu der Oberfläche des
darunterliegenden Substrats ist, aber jene Ebene kann auch parallel
zu dem Substrat oder unter einem gewissen Zwischenwinkel oder einer
anderen Ausrichtung sein, wenn das gewünscht wird. Eine Mehrzahl von Paaren
von coaxialen oder coplanaren Spitzen kann als übereinandergeschichtet bezeichnet
werden.
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In
der folgenden Beschreibung sind vertikal abgefluchtete Spitzen jene,
welche coaxial oder coplanar sind. Solche Spitzen können hier
als abgefluchtet längs
einer Vertikalachse oder ebene veranschaulicht sein, d.h. auf einer
Achse oder in einer Ebene, die senkrecht zu der horizontalen Oberfläche des
darunterliegenden Substrats ist, und zwar aus Bequemlichkeit der
Beschreibung, jedoch versteht es sich, daß solche abgefluchtete Spitzen
in irgendeiner bzw. jeder gewünschten
Ausrichtung mit Bezug auf das darunterliegende Substrat sein können. Es
versteht sich weiter, daß eine
Mehrzahl von Spitzen längs
einer gemeinsamen Achse hergestellt sein kann, entweder in gegenüberliegenden
Paaren oder in solchen Paaren in Kombination mit einzelnen abgefluchteten
Spitzen. Solche Spitzen werden hier als übereinandergeschichtete Spitzen
oder übereinandergeschichtete
Paare von Spitzen bezeichnet.
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Der
Träger
oder die Träger,
welcher bzw. welche die Spitzen tragen bzw. halten kann bzw. können durch
die gleichen Musterbildungs- und Ätztechniken ausgebildet werden,
die zum Ausbilden der Spitzen verwendet werden, um montierende Federn einzubauen,
welche sowohl eine axiale wie auch eine laterale Bewegung von dem
einen oder mehreren Trägern
mit Bezug auf eine benachbarte Substrat-, Basis- oder Haltestruktur
gestatten. Außerdem
können
die Träger
so ausgebildet sein, daß kapazitive oder
magnetische Antriebsstrukturen eingearbeitet bzw. damit vereinigt
sind, welche durch geeignete Potentialdifferenzen oder Magnetfelder
erregt wer den können,
um Bewegung in den Trägern
zu erzeugen. Darüberhinaus
können
piezoelektrische Filme auf den Trägern inkorporiert sein.
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Ein
Paar von coplanaren linearen Trägern kann
so angebracht sein, daß sie
einander schneiden, vorzugsweise unter rechten Winkeln, wobei die Träger an ihrer
Schnittstelle miteinander verbunden sind, um einen X-förmigen Spitzenhalter
in der durch die Träger
definierten Ebene auszubilden. Die Träger sind mittels Axialfedern
so angebracht, daß jeder Träger axial
und lateral innerhalb einer horizontalen Ebene, die durch die Träger definiert
ist, bewegbar ist, und so die Schnittstelle in einer Richtung senkrecht
zu jener Ebene bewegbar ist. Die Federn ermöglichen nicht nur eine Bewegung
der Träger,
sondern halten dieselben mit Bezug auf ihre Haltestruktur an Ort
und Stelle. Eine Spitze eines selbstabgefluchteten Spitzenpaars
ist an der Schnittstelle der Träger
ausgebildet, um die Relativbewegung der Träger mit Bezug auf eine zweite
Spitze des selbstabgefluchteten Spitzenpaars zu detektieren, wobei
die zweite Spitze in Fluchtung mit der ersten Spitze angebracht
ist. Die zweite Spitze kann auf einer planaren Oberfläche benachbart
den Trägern
ausgebildet sein, so daß sie
stationär
ist, oder sie kann auf einem freitragenden Träger oder einem zweiten Paar
von gekreuzten Trägern,
die auch einen X-förmigen Spitzenhalter
bilden, angebracht sein. Ein solches zweites Paar von gekreuzten
Trägern
kann auch mittels Federn so angebracht sein, daß es in einer Ebene liegt,
die parallel zu der Ebene des ersten Paar von einander schneidenden
Trägern
ist, wobei jeder X-förmige
Spitzenhalter in X- und Y-Richtung in seiner eigenen Ebene und in
einer Z-Richtung senkrecht zu der X-Y-Ebene bewegbar ist. Die Ebenen der beiden
Spitzenhalter sind, ob nun der zweite Halter stationär ist oder
ein bewegbarer zweiter Träger
oder ein bewegbares zweites Paar von Trägern ist, parallel zueinander
und eng beabstandet, wobei die Spitzen selbstabgefluchtet sind.
Jedes Paar von Trägern
in der linearen gekreuzten Trägerkonfiguration
trägt vorzugsweise
entsprechende kapazitive Antriebsstrukturen zum Steuern bzw. Regeln
und Abfühlen der
Bewegung der jeweiligen Träger
und demgemäß der Spitzen,
die sie tragen, in der X-Y-Ebene (Horizontalebene), und kann auch ähnliche
Antriebsstrukturen zum Steuern bzw. Regeln oder Abfühlen der Bewegung
in der Z-Richtung (vertikale Richtung) eingearbeitet haben. Der
horizontale kapazitive Antrieb kann aus bewegbaren "kamm"-förmigen Kondensatoren
bestehen, die auf jedem Ende von jedem Träger zwischen den jeweiligen
Federn und der Haltestruktur für
den Träger
angebracht sind. Die Federn dienen als eine mechanische Vorspannung
zum Erzeugen von Rückführkräften, wenn
die Träger
durch Erregung der Antriebskondensatoren bewegt werden. Zusätzlich können gegenüberliegende
kapazitive Platten auf den Trägern
oder auf benachbarten Strukturen zum Steuern bzw. Regeln und Abfühlen der
vertikalen Bewegung vorgesehen sein. Eine solche Struktur gestattet
eine präzise
und genaue Steuerung bzw. Regelung und/oder Messung der Relativbewegung
zwischen gegenüberliegenden
abgefluchteten Spitzen, um eine weite Vielfalt von mikroskopischen
und analytischen Messungen zu ermöglichen. Eine solche Einrichtung
kann eine Siliciumfläche
von angenähert
40 um × 20 μm einnehmen,
und zwar einschließlich
der Stellantriebe und Federn, sie kann leicht in eine integrierte
Schaltungseinrichtung inkorporiert sein, und sie kann eine Verlagerung
von 400 nm an den Spitzen erzeugen. Eine konventionelle piezoelektrische
Einrichtung erfordert andererseits eine Einrichtung von 2 mm Länge, um
die gleiche Verlagerung zu erzeugen.
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Die "Kamm"-Antriebsstruktur
verwendet ineinandergreifende Platten bzw. doppelkammartige Platten,
welche parallel zu der Achse des haltenden Trägers sind, auf dem sie angebracht
ist. Diese Anordnung hat den Vorteil des Erzeugens einer Antriebskraft,
die mit der Verlagerung konstant ist und kann eine große Axialbewegung
in dem Träger
aufnehmen. Jedoch erlaubt die Kammstruktur nicht sehr viel seitliche
Bewegung, so daß sie
Schwierigkeiten für
die zweidimensionale Bewegung in der X-Y-Ebene bietet, die für viele
Sensor- und Instrumentanwendungen benötigt wird. Demgemäß können die
selbstabgefluchteten, gegenüberliegenden
Spitzen an der Schnittstelle eines Paars von gekreuzten versetzten
Trägern
ausgebildet sein, worin jeder Träger
aus zwei gegenüberliegenden
bzw. entgegengesetzten, generell L-förmigen Trägersegmenten bzw. -abschnitten
ausgebildet ist, wobei entsprechende Schenkel der Segmente miteinander
durch einen Spitzenhalteschenkel zur Ausbildung des Trägers verbunden
sind. Die Schnittstelle der Spitzenhalteschenkel der beiden Träger bildet
einen X-förmigen Spitzenhalter,
welcher eine der Spitzen des Paars von gegenüberliegenden, selbstabgefluchteten
Spitzen trägt,
wobei die andere Spitze des Paars z.B. auf dem darunterliegenden
Substrat ausgebildet ist. Kapazitive Platten sind auf den Seiten
von jedem der Trägersegmente
bzw. -abschnitte ausgebildet, um die Segmente bzw. Abschnitte lateral
zu bewegen, wobei die Elastizität
des Materials, aus dem die Träger
ausgebildet sind, und die Länge
der Träger
dazu dienen, die Federwirkung vorzusehen, welche für die angemessene
Steuerung bzw. Regelung der Bewegung des X-förmigen Spitzenhalters erforderlich
ist. Diese Anordnung eliminiert die Notwendigkeit, axiale Federn
in den Halteträgern
auszubilden, wie es bei linearen Trägern erforderlich ist, obwohl
solche Federn auch eingearbeitet werden können, wenn das gewünscht wird.
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Die
Halteträger
und die selbstabfluchteten Spitzen werden gemäß einer bevorzugten Form der Erfindung
dadurch ausgebildet, daß zunächst ein Substrat,
wie eine Einkristallwafer, mit einem Muster versehen wird, um eine
aufrechte Insel oder Tafel bzw. Mesa zu begrenzen, die in der Aufsicht
von oben die Form oder das Muster des gewünschten Halteträgers oder
der gewünschten
Halteträger,
der Haltefedern, der Antriebskondensatoren, und dergleichen hat.
Die Insel wird maskiert, geätzt
und oxidiert, um ausgewählte
Oberseitenteile der Insel aus dem tragenden Substrat zum Begrenzen
bzw. Definieren eines isolierten Trägers oder einer anderen Struktur
zu isolieren, wobei der Oxidierschritt zur gleichen Zeit an einem
oder mehreren ausgewählten
Orten eine gegenüberliegende
obere und untere Spitzenstruktur ausbildet, welche sich zwischen
dem getrennten Oberseitenteil der Insel, d.h. dem Träger, und
dem darunterliegenden Substrat erstrecken. Das Oxid zwischen dem
Träger
und dem Substrat wird dann an ausgewählten Orten entfernt, um den
Träger physisch
von dem Substrat zu trennen, so daß der Träger bewegbar ist, und so, daß die von
dem Träger getragene
Spitze mit Bezug auf ihre gegenüberliegende
Spitze auf dem Substrat bewegbar ist.
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Der
Träger
ist vorzugsweise innerhalb einer Ausnehmung lokalisiert, welche
während
der Herstellung, des Trägers
in dem Substrat ausgebildet wird. Ein Ende des Trägers ist
fest angebracht, wie auf einer vertikalen Wand der Ausnehmung, auf
einem in der Ausnehmung ausgebildeten Sockel oder auf irgendeiner
anderen Haltestruktur innerhalb der Ausnehmung, wobei sich ein bewegbarer
Teil horizontal weg von dem Halter erstreckt und über dem Boden
der Ausnehmung mit Abstand angeordnet ist. Das fixierte Ende des
Trägers
kann teilweise durch das Oxid gehalten sein, welches zwischen dem
Träger
und dem Substrat ausgebildet ist, wobei das meiste jenes Oxids entfernt
wird, um das bewegbare Ende des Träger freizumachen. Ein Oxidationsschritt kann
dazu benutzt werden, ausgewählte
Teile des Trägers
und seine Spitze von seiner Haltestruktur elektrisch zu isolieren,
und es können
elektrische Leitungen über
der Isolation vorgesehen sein, um die Spitzen mit geeigneten elektrischen
Schaltungen zu verbinden, die in dem Träger selbst oder in dem umgebenden
Substrat ausgebildet sind. Andere isolierende Materialien, wie Siliciumnitrid,
können
auch dazu verwendet werden, eine elektrische Isolation der Spitzen
vorzusehen. Außerdem
können
Spitzen auf den Oberseiten der Träger durch angemessene Abwandlung
des Herstellungsprozesses ausgebildet werden, und es können übereinandergeschichtete Paare
von Spitzen und Halteträgern
ausgebildet werden.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung ist die zuvor beschriebene Einrichtung auf einem hoch
mit Arsen dotiertem Siliciumwaferstubstrat (100) mit einem
spezifischen Volumenwiderstand von 0,005 ohm-cm oder weniger hergestellt.
Eine dielektrische Übereinanderschichtung,
die aus beiden Oxiden und Nitrid besteht, wird auf die Oberseitenoberfläche der
Wafer abgelagert, um als die Oberseitenmaske für die spätere Siliciumeinschnittätzung und
-isolationsoxidation zu dienen. Ausgebildete Muster werden auf die
dielektrische Übereinanderschichtung
unter Verwendung von Elektronenstrahllithographie hoher Auflösung und
anisotroper reaktiver Ionenätzung
(RIE) in einer CHF3-Chemie übertragen.
Das Substratsilicium wird dann unter Benutzung von RIE in einer
Cl2/BCl3-Chemie
geätzt,
um Siliciumeinschnitte von gewünschten
Tiefen auszubilden, welche aufrechte Inseln auf dem Substrat begrenzen.
Eine Seitenwandoxidationsmaske wird durch Ablagern einer zweiten Übereinanderschichtung
ausgebildet, die sowohl aus Oxid als auch aus Nitrid besteht; diese
dielektrische Übereinanderschichtung wird
dann anisotrop zurückgeätzt unter
Verwendung eines CHF3-RIE-Prozesses, wobei
nur der Seitenwandteil der zweiten dielektrischen Übereinanderschichtung
intakt gelassen wird. Eine Siliciumausnehmungsätzung wird ausgeführt, um
eine höhere Lateraloxidationsrate
zu ermöglichen.
Eine Hochtemperaturoxidation folgt, um dadurch Siliciumträger zu definieren
bzw. begrenzen, die elektrisch von dem Substrat isoliert sind. Es
ist zu beachten, daß durch selektives
Abtreifen bzw. Stripping Teile der Oxidationsmaske vor der Oxidation,
mechanisch angebrachte Siliciumträger elektrisch voneinander
isoliert werden können,
um es zu ermöglichen,
daß jedes Segment
bzw. jeder Abschnitt individuell adressierbar ist.
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Nachfolgend
auf die Oxidation werden Kontaktfenster durch selektives Ätzen der
oberen dielektrischen Übereinanderschichtung
unter Verwendung eines CHF3-RIE-Prozesses
geöffnet.
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Der
Metallisierungsschritt wird mit einer Aluminiumabhebung unter Verwendung
eines Dreischichtprozesses vollendet, der eine dicke Schicht aus
Polyimid beinhaltet, welche die Siliciuminseln plan macht. Das Feldoxid
wird dann unter Verwendung einer gepufferten HF-Lösung selektiv
entfernt, das setzt die Silicium/Dielektrik-Träger frei und läßt sie sich
frei über
der Substratsiliciumwaferoberfläche bewegen.
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Abwandlungen
in den vorstehenden Strukturen und Prozessen bzw. Verfahren erzeugen
Einrichtungen, die einen weiten Bereich an Nützlichkeit für die gemäß der Erfindung
hergestellten gegenüberliegenden
Spitzenstruktur haben. Z.B. kann eine der Spitzen für die lithographische
Fluchtung bzw. Ausrichtung eines Merkmals mit Bezug auf die andere Spitze
verwendet werden. Die bewegbare Trägerspitzenhaltestruktur kann
in einem anderen Beispiel dazu benutzt werden, eine zugespitzte
Siliciumspitze mit Bezug auf eine Oberfläche zu bewegen, um als ein
Abtasttunnelungs- bzw. -tunnelmikroskop zu dienen. Alternativ kann
eine der Spitzen eines gegenüberliegenden
Paars von ihrer Haltestrukturentfernt werden, um eine Öffnung auszubilden,
und die übrigen
Spitzen können
mit Bezug auf die Öffnung
bewegt werden, um als eine Elektronenmikroskopkathode zu funktionieren.
In diesem letzteren Beispiel kann die Öffnung dazu benutzt werden,
ein hohes elektrisches Feld an der übrigen Spitze zu erzeugen, so
daß die
Spitze Elektronen emittiert, welche dann durch die Öffnung hindurchgehen.
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Die
Siliciumspitzen können
reoxidiert werden, um isolierte Spitzen für Atomkraftmikroskope zu bilden,
oder sie können
konform mit Metal, wie durch chemische Dampfablagerung erzeugtes
Wolfram, beschichtet werden, um Metallspitzen zu erzeugen. Die Spitzen
können
auch dazu benutzt werden, umgebende Materialien für spektroskopische
Untersuchungen zu absorbieren, und sie sind für eine breite Vielfalt an anderen
Funktionen verfügbar.
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Obwohl
die Erfindung in ihrer bevorzugten Ausgestaltung eine Herstellung
eines Paars von vertikal gestapelten selbstausrichtenden gegenüberliegenden
Spitzen aufweist, wobei die oberste Spitze des Paars nach abwärts nach
einer nach aufwärts gerichteten
unteren Spitze gewandt ist, kann das vorliegende Herstellungsverfahren
auch dazu verwendet werden, einzelne Spitzen, vertikal übereinander geschichtete
mehrfache Paare von Spitzen, oder Paare in Kombination mit einer
nach aufwärts
gerichteten oder vorstehenden, letzten Spitze auf der Oberseite
der Übereinanderschichtung
vorzusehen. Solche Sätze
von vertikal übereinandergeschichteten Sondenspitzenpaaren
können
durch eine Seitenwandmusterungstechnik hergestellt werden, welche die Öffnung von
unabhängigen
Fenstern in dem Seitenwandnitrid, das von den Siliciuminseln getragen wird,
vor dem selektiven seitlichen Isolationsoxidationsschritt gestattet.
Die nach aufwärts
vorstehende letzte Spitze kann entweder durch Entfernen der oberen
Spitze eines Paars hergestellt werden, um die untere Spitze aufzudecken,
oder durch Musterbildung des Seitenwandnitrids vor dem selektiven
seitlichen Isolationsoxidationsschritt, so daß eine Oxidation des Oberseitenteils
der Insel ermöglicht
wird.
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Der
Prozeß der
vorliegenden Erfindung kann dazu verwendet werden, nicht nur selbstabgefluchtete
Paare und übereinandergeschichtete
Paare von generell konischen Spitzen herzustellen, sondern auch
selbstabgefluchtete Paare und übereinandergeschichtete
Paare von keilartigen Spitzen. Es können Strukturen hergestellt
werden, welche mehrere selbstabgefluchtete Spitzenstrukturen eingearbeitet haben,
worin die Spitzen an beabstandeten Stellen ausgebildet sind, um
z.B. grobe und feine Messungen von Relativbewegung vorzusehen. Weiterhin kann,
da die Spitzenstrukturen der Erfindung in Silicium ausgebildet werden,
das gleiche Substrat, in dem die Einrichtungen hergestellt werden,
auch bei bzw. zu der Herstellung von integrierten elektronischen Einrichtungen
und Schaltungen verwendet werden, wobei diese Schaltungen elektrisch
mit Kondensatoren verbunden werden können, die auf den Trägern ausgebildet
und mit den bewegbaren Spitzenstrukturen verbunden sind, um Antriebssignale
für die
Bewegung in der X-, Y- und Z-Richtung vorzusehen und um Verstärker zum
Abfühlen
und Verstärken
von Signalen vorzusehen, die von dem Strom abgeleitet sind, welcher
zwischen den gegenüberliegenden Spitzen
fließt.
Die Träger
können
so geformt und bemessen sein, daß sie den gewünschten
Betrag an Empfindlichkeit oder Steifigkeit erzeugen, um einen weiten
Bereich an Abfühlfunktionen
zu gestatten, und es kann eine Vielfalt von Wandlern, wie Kondensatoren,
Dünnfilmpiezoelektrikmaterial
und dergleichen, dazu verwendet werden, die Bewegung der Spitzen abzufühlen und
zu steuern bzw. regeln.
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Obwohl
die bewegbaren Träger
so dargestellt sind, daß sie
als Freiträger
auf den Wänden
von Ausnehmungen angebracht sind, die in dem tragenden Substrat
ausgebildet sind, versteht es sich, daß auch andere Haltestrukturen
vorgesehen sein können.
Z.B. können
die Träger
auf Sockeln auf dem Substrat angebracht sein, welche von den Ausnehmungs-
bzw. Vertiefungswänden
beabstandet sein können
und welche das gleiche Material wie das Substrat sein können oder
ein Oxid sein können,
das während
des Herstellungsverfahrens gebildet worden ist. Weiter brauchen
die Träger
nicht horizontal zu sein, und es ist nicht nötig, daß sie parallel zu einem darunterliegenden
Substratboden sind, vielmehr können
sie in irgendeiner bzw. jeder gewünschten Ausrichtung ausgebildet
sein. Die Spitzen oder Keile können
horizontal abgefluchtet oder vertikal abgefluchtet sein, wie hier
veranschaulicht ist, jedoch versteht es sich, daß dieses aus Einfachheit der
Beschreibung geschieht und daß die
Fluchtungsachse von gegenüberliegenden
Spitzen in irgendeiner bzw. jeder gewünschten Ausrichtung sein kann.
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Obwohl
verschiedene Anordnungen von einzelnen und übereinandergeschichteten Spitzen
möglich
sind, wird es generell bevorzugt, daß wenigstens eine Spitze einer Übereinanderschichtung
oder Anordnung stationär
relativ zu den übrigen
Spitzen ist, um als Fixpunkt oder Bezugspunkt für das Detektieren und Messen
der Bewegung oder anderer Parameter zu dienen. Die Verwendung einer
aufrechten Spitze, die sich über
eine umgebende Oberfläche
erstreckt, ist besonders brauchbar als ein solcher Fixpunkt, und
zwar nicht nur deswegen, weil sie leicht mit einer gegenüberliegenden
Spitze zu lokalisieren ist, sondern weil sie die Verwendung von
kapazitiven, Feldemissions- und/oder Tunnelungs- bzw. Tunneleffekten
für die
Messung eines weiten Bereichs von Parametern gestattet. Ein seitliches
Spitzenpaar kann ähnlich
mit einer beweglichen und einer ortsfesten Spitze konfiguriert sein,
wobei die ortsfeste Spitze als ein Fixpunkt dient und die Verwendung
von kapazitiven, Feldemissions- und/oder Tunnelungs- bzw. Tunneleffekten
gestattet.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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Die
vorstehenden und zusätzliche
Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann
aus den folgenden detaillierten Beschreibungen von bevorzugten Ausführungen
derselben ersichtlich, und zwar genommen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen,
in denen:
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1 und 1A perspektivische
Ansichten eines freitragenden Trägers
sind, der selbstabgefluchtete konische Spitzen in Nanometerabmessung eingearbeitet
hat, welche gemäß der vorliegenden Erfindung
hergestellt sind;
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2 in
tabellarischer Form die Verfahrensschritte veranschaulicht, die
dazu benutzt werden, die verschiedenen Querschnitte einer Struktur
auszubilden, welche gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellt wird;
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3 eine
Aufsicht von oben auf eine Struktur ist, die lineare Spitzenhalteträger eingearbeitet hat,
welche gemäß dem Verfahren
der 2 hergestellt sind;
-
4 eine
perspektivische Ansicht der Struktur der 3 ist;
-
5 eine
perspektivische Ansicht eines Paars von gegenüberliegenden, selbstabgefluchteten
keilartigen Spitzen ist, die gemäß der vorliegenden
Erfindung ausgebildet sind;
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6 eine
Seitenaufrißansicht
einer abgewandelten Spitzenstruktur zum Einarbeiten einer MOSFET-Einrichtung
ist;
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7 eine
perspektivische Ansicht einer Inselstruktur mit einer Schutzmaske
für das
Ausbilden von horizontalen, selbstabgefluchteten keilartigen Spitzen
gemäß dem Verfahren
der vorliegenden Erfindung ist;
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8 eine
Querschnittsansicht der Struktur der 7 ist;
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9 eine
perspektivische Ansicht von horizontalen selbstausgerichteten bzw.
-abgefluchteten keilartigen Spitzen ist, die aus der Struktur der 7 ausgebildet
sind;
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10 eine
Veranschaulichung eines bevorzugten Verfahrens zum Ausbilden von
selbstausgerichteten, mehrfachen, vertikal übereinandergeschichteten Spitzen
in tabellarischer Form ist, welche keilförmige konische Spitzen sein
können,
die in Paaren aisgebildet sind;
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11 eine
Veranschaulichung einer Alternative zu dem Verfahren der 10 in
tabellarischer Form ist, worin die oberste Spitze eine einzelne
Spitze ist;
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12 eine
Veranschaulichung eines anderen Verfahrens zum Herstellen von mehrfachen
vertikal übereinandergeschichteten
Spitzen in tabellarischer Form ist, worin die oberste Spitze eine
einzelne Spitze ist;
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13 in
tabellarischer Form ein noch anderes Verfahren zum Herstellen von
mehreren vertikal übereinandergeschichteten
Spitzen veranschaulicht;
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14 eine
Aufsicht von oben auf eine Struktur ist, die versetzte Spitzenhalterträger eingearbeitet
hat, welche gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellt sind;
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15 eine schematische Darstellung einer Trägerstruktur
ist, die unter Verwendung einer Vielfalt an Konstruktionstechniken
für einen
Träger,
der fähig ist,
mehrere Spitzen zu tragen, ausgebildet worden ist;
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16 in
tabellarischer Form die Verfahrensschritte für den Träger der 12 veranschaulicht;
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17 eine
schematische Darstellung einer Struktur zum Erzeugen einer Z-Achsen-Bewegung ist;
-
18 eine
schematische Darstellung einer Spitzenstruktur ist, die in einem
Rasterelektronenmikroskop verwendbar ist;
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19 eine
schematische Darstellung einer Spitzenstruktur ist, die in einem
Atomkraftmikroskop verwendbar ist;
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20 die
Verwendung einer horizontalen Spitzenstruktur als ein Bewegungssensor
veranschaulicht;
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21 eine
Teilperspektivansicht einer Struktur ist, die gemäß dem Verfahren
der 12 oder 13A ausgebildet
worden ist;
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22 in tabellarischer Form ein Verfahren zum
Herstellen von horizontalen selbstausgerichteten bzw. -abgefluchteten
gegenüberliegenden
Spitzen veranschaulicht; und
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23 eine
perspektivische Ansicht eines Paars von gegenüberliegenden Spitzen ist, die
gemäß dem Verfahren
der 22 ausgebildet worden sind.
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Beschreibung von bevorzugten
Ausführungsformen
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Ein
Beispiel einer selbstausgerichteten, dualen Spitzenstruktur für analytische
Instrumente ist generell bei 10 in 1 gezeigt,
worauf nun Bezug genommen wird. Wie dort gezeigt ist, ist eine erste,
generell konische Spitze 12 auf einem horizontalen planaren
Boden 14 einer Ausnehmung 16 ausgebildet, die
in einem umgebenden Substratmaterial 18 gebildet ist, das
auf einer Basis 20 getragen ist. Das Substrat 18 und
die Spitze 12 sind integral aus dem gleichen Material ausgebildet,
welches vorzugsweise ein Einkristallsilicium, polykristallines Silicium
oder amorphes Silicium ist. Das Substrat kann eine Membrane sein,
ist jedoch vorzugsweise auf einer Basis 20, welche eine
isolierende Wafer sein kann, durch Bonden bzw. Kleben, Zonenschmelzen,
Rekristallisation oder dergleichen angebracht. Die Spitze 12 ist
vollständig in
das Substratmaterial 18 integriert; d.h., sie ist als ein
Teil des kristallinen Substrats, anstatt auf dasselbe hinzugefügt zu sein,
ausgebildet, und sie wird während
der Bildung von anderen Komponenten der Einrichtung hergestellt,
wie erläutert
weiden wird.
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Über und
abgefluchtet mit der Spitze 12 ist eine zweite, gegenüberliegende,
generell konische Spitze 22 positioniert, die vorzugsweise
auch aus dem Einkristallsiliciummaterial des Substrats 18 zur gleichen
Zeit wie die Spitze 12 hergestellt wird. Diese Spitze 22 ist
vorzugsweise zur Relativbewegung mit Bezug auf die Spitze 12,
wie mittels eines freitragenden Trägers 24 angebracht.
der auf einem stationären
Halter, wie dem Wandteil 26 der Ausnehmung 16 angebracht
ist und sich von der Wand nach auswärts in die Ausnehmung erstreckt.
Der Träger
er streckt sich über
dem Boden 14 der Ausnehmung und ist parallel zu dem Boden 14 in
der veranschaulichten Ausführungsform,
und er ist so ausgebildet, daß er
eine gewisse Flexibilität
hat, so daß der
sich mit Bezug auf die Spitze 12 bewegen kann, wobei der
gewählte Grad
der Flexibilität
von der Anwendung abhängt,
in welcher die Spitzenstruktur plaziert werden soll. Wenn die Einrichtung
z.B. für
Beschleunigung oder Vibration empfindlich sein soll, dann würde der
Träger 24 einen
hohen Grad an Flexibilität
haben, um eine Relativbewegung des Trägers mit Bezug auf den Fixpunkt,
welcher durch die stationäre
Spitze vorgesehen ist, in Ansprechung auf solche mechanischen Kräfte zu gestatten.
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Ein
größerer Grad
an Steifigkeit würde
für den
Träger 24 vorgesehen
sein, um eine Relativbewegung zwischen den Spitzen 12 und 22 in
jenen Fällen
zu verhindern, in denen die Spitze z.B. für chemische Spektroskopie verwendet
werden soll. In dem letzteren Fall bildet die Absorption eines Materials
in die Spitzen 12 und 22 oder die Beschichtung
der Spitzen durch das Material in der Umgebungsatmosphäre, welche
die Spitzen umgibt, ein Maß für jenes Material,
und der Stromfluß oder Änderungen
in dem Strom zwischen den beiden Spitzen ist bzw. sind ein Maß für die Mengen,
wie die chemische Zusammensetzung des absorbierten oder durch Beschichtung aufgebrachten
Materials. Unter diesem Umstand ist es erwünscht, daß der Stromfluß zwischen
den Spitzen nicht durch Relativbewegung derselben beeinflußt wird,
sondern stattdessen nur durch die Änderung der chemischen Zusammensetzung
der Spitzenoberflächen.
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Da
der Träger 24 aus
einem leitfähigen
oder halbleitenden Material ausgebildet ist, kann er elektrisch
von dem Substrat 18 isoliert sein, wie mittels eines isolierenden
Abschnitts 30, der in dem Träger ausgebildet ist. Ein geeigneter
Verbinder 32, wie ein Aluminiumleiter, kann dann zwischen
dem leitfähigen Teil
des Trägers
und einer Verbinderanschlußstelle 34 vorgesehen
sein, die auf einer isolierenden Schicht 35 lokalisiert
ist, welche auf der Oberfläche des
Substrats 18 ausgebildet ist, wie schematisch in 1 veranschaulicht
ist. Dieses gestattet eine elektrische Verbindung zwischen der Spitze 22 und
der elektrischen Schaltung, die schematisch bei 36 veranschaulicht
ist, welche irgendwo auf dem Substrat 18 ausgebildet sein
kann. Eine solche Schaltung, welche z.B. so einfach wie ein Stromdetektor
sein kann, kann routinemäßig auf
Siliciumwafern durch gut bekannte Techniken hergestellt werden.
Eine solche Schaltung kann dazu benutzt werden, Änderungen in dem Stromfluß, der Kapazität, den Feldemissionen
und dergleichen zwischen den Spitzen 12 und 22 zu
messen, welche Änderungen
eine Funktion des Materials sein können, das auf den Spitzen als Beschichtung
aufgebracht oder durch die Spitzen absorbiert worden ist, oder eine
Funktion des Abstands zwischen den Spitzen sein können. Wenn
der Träger 24 genügend flexibel
ist, bewirken Beschleunigungs- oder Vibrationskräfte, die auf den Träger unter
einem Winkel zu seiner Achse 37 ausgeübt werden, daß sich die
Spitze 22 leicht außer
Fluchtung mit der Spitze 12 bewegt, oder daß sie sich
vertikal nach der Spitze 12 zu oder von der Spitze 12 weg
bewegt, so daß sich
dadurch der Stromfluß dazwischen ändert, und
eine solche Änderung
kann in Relation zu dem Grad der Bewegung und demgemäß zu den
auferlegten Beschleunigung- oder Vibrationskräften gesetzt werden.
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Wie
unten vollständiger
erläutert
werden wird, können
zusätzlich
dazu oder anstelle davon, daß einfach
die Änderungen
im Stromfluß zwischen den
Spitzen der Einrichtung der 1 gemessen werden,
Wandler zum Steuern bzw. Regeln der Bewegung des Trägers 24 und
der Spitze 22 mit Bezug auf die Spitze 12 oder
für das
Abfühlen
einer solchen Bewegung vorgesehen sein. Solche Wandler umfassen
vorzugsweise kapazitive Platten, die auf dem bewegbaren Träger und
auf der stationären
Seite oder den Bodenwänden
der Ausnehmung 16 oder auf einer oberen Wand, wenn eine
solche über
dem Träger zum
Einschließen
der Ausnehmung vorgesehen ist, zum Erzeugen einer Relativbewegung
zwischen den Spitzen angebracht sind. Elektrostatische Kräfte werden
auf die Kondensatorplatten angewandt, wie durch Anwenden einer Hochfrequenzwechselspannung
zwischen gegenüberliegenden
Platten, um eine entsprechende Relativbewegung zwischen der bewegbaren
Spitze 22 und der stationären Spitze 12 zu erzeugen.
Die Spannung zwischen solchen kapazitiven Platten spricht auch auf
irgendeine Bewegung des Trägers 24 in
Ansprechung auf äußere Kräfte an, welche
eine Änderung
in dem Abstand zwischen den Platten oder in der Fluchtung der Platten
erzeugen, da eine solche Änderung
im Abstand die elektrostatische Ladung zwischen den kapazitiven
Platten verändert.
Diese Änderung
in der elektrostatischen Ladung kann ein direktes Maß einer
solchen Bewegung liefern. In der Praxis kann der Träger mit
einer hohen Frequenz vibriert werden, wobei irgendwelche kleinen Änderungen
in der Bewegung des Trägers
durch Messen der Änderungen
in der Ladung zwischen den Platten detektierbar sind.
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Als
eine Alternative zu den kapazitiven Platten kann der Träger bewegt
werden, oder seine Bewegung kann detektiert werden, und zwar mittels
eines magnetischen Films, der als eine Beschichtung 38 auf
einer oder mehreren Oberflächen
des Trägers 24 ausgebildet
ist und auf Magnetfelder anspricht, die durch nahe Induktoren erzeugt
werden. Der Träger kann
auch durch einen piezoelektrischen Film bei 38 auf einer
oder mehreren Oberflächen
des Trägers bewegt
oder seine Bewegung kann dadurch detektiert werden. Geeignete Elektroden
(nicht gezeigt), die mit dem piezoelektrischen Film verbunden sind, liefern
die erforderliche Erregung.
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Obwohl
die Spitzen 12 und 22 hier so gezeigt und beschrieben
sind, als seien sie vertikal abgefluchtet, versteht es sich, daß sie auch
horizontal abgefluchtet oder in irgendeiner anderen abgefluchteten
Ausrichtung sein können.
Wenn Relativbewegung abgefühlt
werden soll, dann wird es bevorzugt, daß eine der Spitzen auf einem
bewegbaren Halter, wie dem Träger 24,
angebracht ist, während
die andere auf einem stationären
Halter, wie der Basis 20, angebracht ist, obwohl beide
auf bewegbaren Haltern angebracht sein können. Weiterhin versteht es sich,
obwohl in 1 konische Spitzen veranschaulicht
sind, daß langgestreckte,
keilförmige
Spitzen mit gegenüberliegenden
Kanten einander gegenüberliegend
und miteinander abgefluchtet vorgesehen sein können, wie unten vollständiger erläutert werden wird.
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Wie
es in der Rastertunnelungs- bzw. -tunnelmikroskopie (STM) bekannt
ist, verjüngen
sich die konische Spitze 22 und die konische Spitze 12 beide zu
extrem feinen Dimensionen im Nanometermaßstab, wobei idealerweise jede
Spitze in einem einzigen Atom endet. In bekannten STM-Einrichtungen würde das
Ende der Spitze 22 innerhalb weniger Ångstroms oder weniger von
einer zu detektierenden Oberfläche
positioniert werden. Jedoch wird in dem vorliegenden Fall das auslaufende
Ende der Spitze 22 innerhalb weniger Ångstroms von dem gegenüberliegenden
auslaufenden Ende der selbstabgefluchteten Spitze 12 positioniert.
Die enge Nähe
der auslaufenden Enden dieser Spitzen ermöglicht es Elektronen, zwischen
ihnen bei der Anwendung einer leichten Vorspannung zu tunneln. Obwohl
der Tunnelstrom sehr klein ist, typischerweise in der Größenordnung
von Picoamper, ist er meßbar,
da sich der Wert dieses Tunnelstroms exponentiell ändert, wenn der
Spitze-zu-Spitze-Abstand um einen kleinen Betrag variiert; z.B. ändert eine Änderung
von einem Ångstrom
in dem Spalt zwischen den Spitzen den Tunnelstrom um eine Größenordnung.
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Die
konusförmigen
Spitzen 12 und 22 sind in ihren nominellen oder
Ruhepositionen axial abgefluchtet; in dem Beispiel der 1 ist
die Spitze 12 stationär
und erstreckt sich von der Oberfläche 14 nach aufwärts, um
als ein Fixpunkt zu dienen, und die Spitze 22 ist auf dem
relativ bewegbaren Träger 24 angebracht.
Der Träger
hat eine Längsachse 37,
und seine freitragende Anbringung ermöglicht eine Bewegung in jeder
Richtung senkrecht zu jener Achse. Jede solche Bewegung ändert den
nominellen Abstand zwischen den gegenüberliegenden Abschlußenden der
Spitzen 12 und 22 und ändert demgemäß die Länge des
Tunnelwegs und variiert den Tunnelstrom, wie oben erörtert. Die
Messung dieses Stroms liefert ein Maß für die mechanische Bewegung
des Trägers 24.
Wegen den konischen Formen der Spitzen und der Tatsache, daß die Spitze 12 aufrecht
von der Oberfläche 14 steht,
erzeugt selbst eine Lateralbewegung des Trägers in Richtungen, die parallel
zu der Oberfläche 14 sind,
eine meßbare Änderung
in dem Tunnelstrom, so daß dadurch
eine Messung der Horizontalbewegung ermöglicht wird.
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Das
Vorsehen einer Fixpunktspitze, die sich über die umgebende Oberfläche erstreckt,
erleichtert die Lokalisierung der oberen bewegbaren Spitze, weil
die beiden Spitzen effektiv wie die gegenüberliegenden Platten eines
Kondensators wirken. Durch Messen der Änderungen in der Kapazität können die obere
und untere Spitze präzise
abgefluchtet werden, und dann kann die bewegbare Spitze nahe an die
stationäre
Spitze bewegt werden, um die bewegbare Spitze genau über der
Oberfläche
an dem gewünschten
Ort zu positionieren. Dann kann die Spitze in dem Bereich des Fixpunkts
von Seite zu Seite bewegt werden, um ein sehr genaues Maß der umgebenden
Oberfläche
zu erhalten.
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Anstatt
die Spitzen als einen Kondensator zu betreiben, ist es auch möglich, sie
in einem Feldemissionsmodus zu betreiben, um einen präzisen Ort
der einen mit Bezug auf die andere vorzusehen. In diesem Falle wird
ein Potential zwischen den Spitzen angelegt, und das resultierende
Feld kann präzise gemessen
werden, um eine Abfluchtung und Positionierung der bewegbaren Spitze
mit Bezug auf den Fixpunkt zu ermöglichen. Wenn die Spitzen sehr nahe
aneinander sind, kann die Tunnelung von Elektronen zwischen den
gegenüberliegenden
Spitzen für
die gleichen Zwecke benutzt werden.
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In
der Abwesenheit der Spitze 12 ist jedoch die Messung der
Bewegung parallel zu der Oberfläche 14 von Änderungen
in der Topographie der Oberfläche
abhängig,
und dieses ist schwerer zu detektieren und mag nicht meßbar sein,
wenn der Abstand zwischen der Spitze 22 und der Oberfläche konstant bleibt.
Demgemäß liefert
die abgefluchtete Dualspitzenstruktur der vorliegenden Erfindung
einen signifikanten Fortschritt gegenüber den früheren Einzelspitzenstrukturen.
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1A ist
eine Abwandlung des Beispiels der 1, worin
gleichartige Teile gleichartig numeriert sind. In dieser Darstellung
ist jedoch der freitragende Träger 24 nicht
auf der Wand 26 der Ausnehmung 16 angebracht,
sondern er wird stattdessen in Freiträgerart auf einem Sockel 30' gehalten, welcher einheitlich
auf der Bodenoberfläche 14 der
Ausnehmung ausgebildet ist. Das fixierte Ende des Freiträgers 24 ist
stationär,
wobei sich der Träger
von dem Sockel in einer Richtung nach auswärts erstreckt, die generell
parallel zu dem Boden 14 der Ausnehmung 16 ist.
Der Sockel wird vorzugsweise im Verlauf des Ausbildens des Trägers hergestellt
und ist demgemäß einheitlich
mit der Wafer 18. Obwohl der Sockel Silicium sein kann,
wenn das gewünscht
wird, wird es bevorzugt, daß er
aus einem elektrisch isolierenden Material, wie Siliciumdioxid,
sein möge,
das gleichzeitig in der Herstellungsfolge ausgebildet wird, wie es
die Isolation 30 in der Einrichtung der 1 ist. Die
Sockelstruktur sieht eine große
Freiheit im Lokalisieren des Arms 24 innerhalb der Ausnehmung 16 vor
und kann demgemäß in einigen
Fällen
bevorzugt sein.
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Der
Träger 24 detektiert
die Bewegung in der horizontalen, vertikalen und zwischenliegenden Richtung
senkrecht zu dessen Achse. Durch Vorsehen eines zweiten freitragenden
Trägers
(nicht gezeigt), gleichartig bzw. ähnlich wie der Träger 24,
wobei er jedoch seine Achse senkrecht zur Achse des Trägers 24 hat,
kann die Bewegung in drei Dimensionen detektiert werden; jedoch
würde dieses
zwei Paare von gegenüberliegenden,
selbstabgefluchteten Spitzen, eine auf jedem Träger, erfordern. Ein alternatives
Verfahren des Detektierens einer dreidimensionalen Bewegung unter
Verwendung von gerade einem abgefluchteten Paar von Spitzen ist
in 3 veranschaulicht und beinhaltet das Vorsehen von
einander schneidenden, federmontierten Trägern. Die Federanbringungen
für die
einander schneidenden Träger,
welche vorzugsweise senkrecht zueinander sind, gestatten effektiv
eine Bewegung von einer Spitze nicht nur lateral mit Bezug auf einen
ihrer Anbringungsträger,
sondern auch axial längs
jenes Trägers,
und durch Verwenden von gekreuzten Trägern, welche beide zu einer
dreidimensionalen Bewegung angebracht sind, ist die Spitze nicht
nur fähig,
Bewegung in jeder Richtung zu delektieren, sondern sie kann so gesteuert
bzw. geregelt werden, daß eine
Spitze mit Bezug auf die andere präzise für Messungen eines weiten Bereichs
von Parametern positioniert wird. Die Anbringung für eine dreidimensionale
Bewegung ist von besonderem Wert beim Detektieren und Messen von
Vibrationen und von anderen mechanischen Bewegungen, weil die extreme
Empfindlichkeit der Tunnelströme
auf Änderungen
im Abstand zwischen den Spitzen in der zuvor beschriebenen Struktur
ein hochpräzises
Instrument für
solche Messungen zur Verfügung
stellt.
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Zusätzlich liefern
die Daten, die durch Änderungen
in dem Tunnelstromfluß zwischen
gegenüberliegenden
Spitzen vorgesehen werden, Information über die aufgefüllten und
angefüllten
Elektronenenergiezustände
der gegenüberliegenden
Spitzen. Diese Daten enthüllen
Information über
die chemische Zusammensetzung dieser Spitzen und über die molekulare
Bindung wie auch über
elektronische und magnetische Zustände innerhalb der Spitzen,
ihre kristalline Struktur und andere Charakteristika bzw. Eigenschaften,
so daß die
gegenüberliegenden
Spitzen als ein Werkzeug für
die Spektroskopie verwendet werden können. Solche Messungen werden durch
präzises
Verändern
der Vorspannung oder des Spitze-zu-Spitze-Abstands bewerkstelligt, um zwei verwandte
Arten von spektroskopischen Messungen vorzusehen: 1) Strom gegen
Spannung und 2) Strom gegen Abstand. Die Strom-gegen-Spannung-Spektroskopie wird
dadurch ausgeführt,
daß man
den Spalt zwischen den Spitzen konstant hält und den Tunnelstrom mißt, während man
die Vorspannung in diskreten Schritten verändert. Die Strom-gegen-Abstand-Spektroskopie
wird dadurch ausgeführt,
daß man
die Vorspannung konstant hält
und den Tunnelstrom mißt,
während
man den Spalt zwischen den Spitzen in diskreten Schritten ändert. Aus
dieser Information können
Daten über
die chemische Zusammensetzung der Oberfläche der Spitzen, die Zusammensetzung
des durch die Spitzen absorbierten Materials, die kristalline Struktur,
die Bindung des Oberflächenmaterials
und dergleichen erhalten werden.
-
Ein
bevorzugtes Verfahren des Ausbildens der gegenüberliegenden, integralen, selbstabgefluchteten
Spitzen 12 und 22 der 1 und 1A ist
in der 2 in der Aufeinanderfolge der Schritte veranschaulicht,
die unter der Überschrift "Querschnitt 1-1'" gezeigt sind. Diese Aufeinanderfolge
bezieht sich auf eine Schnittansicht der Struktur der 1,
ausgeführt
längs der
Linie 1-1' des Trägers 24.
Das in 2 veranschaulichte Verfahren ist der "isolierte Inseln
von Einkristallsilicium durch laterale Oxidation" (ISLO)-Technik verwandt, welche in
dem oben identifizierten Artikel im Journal of Vacuum Science Technology
beschrieben ist. Das Verfahren der Herstellung von Silicium-auf-Isolator-Strukturen
wird in dieser Technik benutzt, weil eine isolierte Insel aus einem
Einkristallsubstratsilicium hoher Qualität durch die Verwendung eines
thermisch gewachsenen Siliciumoxidisolators hoher Qualität ausgebildet
werden kann. Im allgemeinen verwendet das Verfahren eine Obere Oberfläche- und
Seitenwand-Ober-fläche-Siliciumnitridmaske,
um den oberen Teil einer Insel vor Oxidation zu schützen, während der
Boden der Insel in einer solchen Art und Weise oxidiert wird, daß das Substratsilicium,
welches die Insel bildet, durch die Oxidation hinterschnitten wird.
Diese Oxidation isoliert elektrisch die Oberseite der Insel von
dem Substrat, so daß ein
isolierter Träger
ausgebildet wird, der im Abstand über dem Substrat angeordnet
und durch Oxid gehalten wird. Der ISLO-Prozeß erzeugt eine Struktur, in
welcher selbstabgefluchtete, zugespitzte Spitzen zwischen dem resultierenden
oberen Siliciuminselteil oder dem Träger und dem unteren Siliciumsubstrat
ausgebildet werden, wenn die hinterschneidenden Oxidationsfronten
zusammenkommen, so daß sie
die Insel von ihrer Siliciumverbindung mit dem Substrat isolieren.
Das freie Ende 39 des Trägers (1) ist so
geformt, daß es
ein vergrößertes bzw.
verbreitertes Profil hat (gesehen von der Oberseite her), welches
irgendeine gewünschte Form
haben kann. Weil sich das hinterschneidende Oxid mit der gleichen
Rate an allen Orten entlang der Länge des Trägers 24 bewegt, hinterschneidet
das Oxid den Träger
vollständig,
so daß der
Träger
mechanisch von dem Substrat freigesetzt wird, während die Bildung von gegenüberliegenden
Spitzen in der Mitte des vergrößerten bzw.
verbreiterten Teils ermöglicht
wird.
-
Wie
in 2 veranschaulicht ist, ist das Ausgangssubstrat
vorzugsweise eine mit Arsen dotierte Siliciumwafer 18 vom
n++-Typ mit weniger als oder gleich 0,005
Ohm-Zentimeter (100), auf welcher eine geeignete dielektrische Schicht 40 aufgebracht
ist, die Siliciumnitrid umfaßt
bzw. enthält.
Z.B. kann die Schicht 40 eine Oxid-1/-Nitrid-1/Oxid-2(30/100/300 nm)
dielektrische Übereinanderschichtung,
die die Oberseite der Insel bedeckt, sein, welche während der
Oxidation auszubilden ist. Die relative Dicke der Schichten kann
variieren; jedoch ist es wichtig, daß die Schicht 40 Nitrid
als eine Oxidationsmaske enthält
bzw. umfaßt.
Die dielektrische Übereinanderschichtung
wird dann im Schritt 1 durch die Maske #1 mit einem Muster versehen,
wobei z.B. eine Dreiniveauresist-, Direktschreib-Elektronenstrahllithographie
und eine Aluminiumabhebung benutzt wird, um die Maske 42 in
der gewünschten
Form (Aufsicht von oben) des Trägers 24 auszubilden.
Danach wird die dielektrische Schicht 40 um die Maske 42 durch
reaktive Ionenätzung
(RIE) in einer CHF3-Chemie ohne Erosion
der Aluminiummaske 42 geätzt, und diese Maske wird dann
weiter dazu benutzt, um das Muster in das Silicium 18 während eines
nachfolgenden Einschnittätzens
(Schritt 2) zu übertragen.
Eine Cl2/BCl3-Chemie
verbraucht die Aluminiumschicht 42, läßt jedoch die Oxidationsmaske
der oberen Oberfläche,
die in der Schicht 40 ausgebildet ist, virtuell intakt,
wie im Schritt 2 des Querschnitts 1-1' in 2 veranschaulicht
ist. Das Einschnittätzen
erzeugt einen Hohlraum in dem Substrat, welcher eine aufrechte Insel
oder Tafel bzw. Mesa aus Silicium umgibt und eine Seitenwand 44 hat,
die z.B. 500 nm oder tiefer sein kann. Die übrige Insel, die generell mit 45 bezeichnet
ist, hat eine Form, die durch die Maske 42 und die entsprechende
Oxidationsmaske, welche durch die obere Oberflächenschicht 40 gebildet
worden ist, definiert ist.
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Die
Siliciumwafer 18 wird dann vollständig mit einer zweiten dielektrischen
Schicht beschichtet, welche Siliciumnitrid umfaßt bzw. enthält, und
diese Schicht wird dann anisotrop geätzt, um die Bodenwand 46 der
Einschnitte und die obere Oberfläche 47 der
Schicht 40 freizumachen, wie in dem Schritt 3 des Querschnitts
1-1' gezeigt ist.
Die zweite dielektrische Schicht (Nitridschicht) bleibt auf der
Seitenwand 44 der Insel, wie durch die Nitridschicht 48 veranschaulicht
ist. Die dicke Oxidschicht 40 auf der Oberseite der Insel
stellt sicher, daß der "Teil der zweiten
dielektrischen Schicht, welcher auf den horizontalen Oberflächen, wie
auf den Oberflächen 46 und 47,
abgelagert worden ist, überätzt werden
kann, um das Siliciumsubstrat 18 in dem Einschnitt um die
Insel 45 herum freizulegen, ohne die Nitridmaskierungsschicht 40 zu
erodieren, wie in dem Schritt 3 der 2 veranschaulicht
ist.
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Wie
im Schritt 4 des Querschnitts 1-1' veranschaulicht ist, wird als nächstes eine
isotrope Vertiefungsätzung
ausgeführt,
um die Oberfläche 46 der Siliciumschicht 18 zu ätzen, so
daß dadurch
eine Ausnehmung 50 in den Seiten der Insel 45 unterhalb des
Nitrids 48 auf den Seitenwänden der Insel erzeugt wird.
Der Zweck dieser Ausnehmung ist es, eine seitliche Oxidation der
Insel 45 unterhalb des durch die Nitridschicht 48 geschützten Bereichs
während
des zu beschreibenden Oxidationsschritts zu fördern. Wie veranschaulicht,
vermindert dieser Ätzschritt
die Breite W der Insel in dem Bereich der Ausnehmung 50.
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Es
sollte an dieser Stelle bemerkt werden, daß die Insel 45 jede
gewünschte
Form in ihrer Aufsicht von oben haben kann und demgemäß rechteckig,
rund, quadratisch oder in irgendeiner bzw. jeder gewünschten
Art und Weise konfiguriert sein kann, was von der gewünschten
Form und den Dimensionen abhängt,
die für
den Halteträger 24 und
die Spitzen 12 und 22 erforderlich sind. Wenn
konische Spitzen gewünscht
werden, wird die Insel vorzugsweise in der Aufsicht von oben in
dem Bereich rund sein, wo die Spitzen ausgebildet werden sollen,
wie bei 39 in 1 veranschaulicht ist, während die
Insel dann, wenn keilförmige
Spitzen gewünscht
sind, in der Aufsicht von oben ein langgestrecktes Rechteck sein würde. In
jedem Falle wird die Seitenwand 44 der Insel durch die
Seitenschicht 48 geschützt,
und die Ausnehmung 50 wird unterhalb der Schicht 48 so ausgebildet,
daß sie
sich vollständig
um die Insel erstreckt, wobei die Ausnehmung z.B. im Falle einer kreisförmigen Insel
kreisförmig
ist und im Falle einer rechteckigen Insel linear ist und sich längs jedes Randes
der Insel erstreckt.
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Der
Schritt 5 des in 2 veranschaulichten Verfahrens
ist ein selektives Stripping bzw. Abstreifen der dielektrischen
Schicht 40 von der Insel 45, um eine selektive
Oxidation von Teilen der Insel für
den Zweck des Vorsehens einer elektrischen Isolation des Rests der
Insel zu gestatten. Dieses ist in dem Querschnitt 1-1' nicht veranschaulicht,
da jener der Ort der Spitzen 12 und 22 ist, eine
derartige Oxidation jedoch an anderen Teilen der Trägerstruktur 24 vorgesehen
sein kann, wie in näheren
Einzelheiten unten angegeben werden wird. Ein solches selektives
Stripping bzw. Abstreifen von Teilen der dielektrischen Schicht
im Schritt 5 wird mittels der Maske Nummer 2 ausgeführt, die
in diesem Verfahren verwendet wird.
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Danach
wird die Oxidation des freigelegten Siliciummaterials 18 ausgeführt, um
eine Siliciumdioxidschicht 54 auszubilden, wie im Schritt
6 veranschaulicht ist. Die Oxidation erstreckt sich seitlich in die
Ausnehmung 50, so daß sie
dadurch unter den Teil der Insel 45 reicht, welcher durch
die Schicht 48 geschützt
ist. Wenn der Oxidationsprozeß fortschreitet,
bildet er die Schicht 54 auf der Oberfläche 46 und in der
Ausnehmung 50. Das Oxid drückt den unteren Rand der Schicht 48 auswärts, wie
bei 56 im Schritt 6 der 2 veranschaulicht
ist, wenn der Oxidationsprozeß fortschreitet.
Zu irgendeiner bzw. jeder gegebenen Zeit schreitet die Oxidation
mit im wesentlichen konstanter Geschwindigkeit an allen Stellen
in dem Siliciummaterial Fort, aber die Geschwindigkeit fällt parabolisch
zu der Zeit ab, wenn der Prozeß fortschreitet.
Je tiefer die Ausnehmung 50 ist, umso schneller wird der
obere Teil der Insel 45 durch den Oxidationsprozeß hinterschnitten
und von dem Substrat 18 isoliert.
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Das
isotrope Ätzen
der Ausnehmung 50 im Schritt 4 erzeugt ein gerundetes Profil
für die
Ausnehmung, wie in den Schritten 4 und 5 veranschaulicht ist, und
dieses Profil wird bevorzugt, da es schärfere Spitzen bei der Vollendung
des Oxidationsschritts ergibt. Jedoch kann das Profil der geätzten Ausnehmung,
wenn das gewünscht
wird, verändert
werden, um die Krümmung
der Spitzenoberflächen
und die Schärfe
der gegenüberliegenden
Spitzen zu steuern. Alternativ können
die unterschiedlichen Oxidationsraten, welche in unterschiedlichen
Ebenen der Kristallstruktur des Siliciums auftreten, dazu benutzt
werden, die Krümmung
und Schärfe
der durch diesen Prozeß erzeugten
Spitzen zuzuschneiden.
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Die
Breite W der Insel (oder ihr Durchmesser im Falle einer runden Insel)
in dem Bereich der Ausnehmung 50, die in den Schritten
4 und 5 des Querschnitts 1-1' veranschaulicht
ist, dominiert den Hinterschneidungsprozeß, da sich während der
Oxidation die seitlich wachsenden Oxidationsfronten einander mit
der gleichen Rate zu einer gegebenen Zeit annähern, ob nun die Insel breit
oder schmal ist. Demgemäß ist es
die Form der Insel zusammen mit der Länge der Zeit, in welcher die
Insel dem Oxidationsschritt ausgesetzt wird, die bestimmt, welche
Teile der Insel hinterschnitten werden, ob die Insel vollständig an
jedem Ort hinterschnitten wird, und wenn sie vollständig hinterschnitten
wird, wie die Dimension des Spalts zwischen dem übrigen bzw. verbleibenden oberen
Teil der Insel und dem Substrat ist. Wenn eine Mehrzahl von Trägern und
Spitzen gleichzeitig hergestellt wird, werden die Teile der zu hinterschneidenden 'Träger und
die Spalte für
jedes Paar von Spitzen während
des ersten Maskierungsschritts durch die Auswahl der Größe (Weite
oder Durchmesser) des Inselteils bestimmt, welcher jedem Paar von Spitzen
entspricht, weil dieses den Grad der Hinterschneidung für eine gegebene
Zeitdauer des isotropen Ätzens
und für
eine gegebene Zeitdauer der Oxidation steuert. Das Verfahren kann
demgemäß Inseln
oder Teile von Inseln erzeugen, welche total hinterschnitten sind,
welche teilweise hinterschnitten sind, welche Spitzen bilden, die
eng oder weit beabstandet sind, oder in extremen Fällen Inseln,
welche nahezu durch die Oxidation aufgebraucht werden, und zwar
alles während
der gleichen Zeitdauer, und auf diese Weise kann die Isolation der
haltenden Träger
und der Spalte, die durch den Oxidationsprozeß auf unterschiedlichen Trägern und
Spitzen ausgebildet werden, durch Steuern der Größen und Formen der entsprechenden
Inseln gesteuert werden.
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Bei
der Vollendung der Oxidation werden wieder ausgewählte Teile
der dielektrischen Schicht 40 im Schritt 7 mittels der
Maske Nummer 3 zu dem Zweck des Vorsehens von elektrischen Kontakten auf
Teilen der Struktur gestrippt bzw. abgestreift. In dem Querschnitt
1-1' bleibt die
dielektrische Schicht 40 intakt, aber in anderen Schnitten
der Struktur, wie längs
des Trägers 24,
kann das dielektrische Material entfernt werden, um die Bildung
eines elektrischen Kontakts zu ermöglichen. Solche Kontakte werden im
Schritt 8 durch die Ablagerung einer leitfähigen Materialschicht an den
durch Musterung erhaltenen Orten, an denen vorher zu diesem Zweck
das dielektrische Material gestrippt bzw. abgestreift worden ist, ausgebildet.
Wieder ist dieses nicht in dem Querschnitt 1-1' in 2 veranschaulicht,
da an jenem Ort kein elektrischer Kontakt hergestellt werden soll.
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Der
Endschritt (Schritt 9 in 2) ist das Freisetzen von ausgewählten Strukturen,
die durch den Oxidationsprozeß ausgebildet
worden sind. Dieses wird durch Wegstrippen bzw. -streifen der Oxidschicht 54 an
ausgewählten
Orten, wie durch die Maske #5 bestimmt, bewerkstelligt. Das Oxid
kann in einigen Bereichen, wie in dem Bereich des Sockels 30' in der Einrichtung
der 1A, zurückbehalten werden,
um als ein Halter für
Teile der Struktur zu dienen, aber wo immer eine Relativbewegung
erwünscht
ist, wie an den Spitzen 12 und 22, die im Schritt
9 veranschaulicht sind, und in den benachbarten Bereichen des Halteträgers, wird
das Oxid entfernt. Diese Entfernung des Oxids läßt einen Spalt zwischen der
isolierten Inselstruktur und dem darunterliegenden Substrat, um
den Halteträger 24 freizusetzen,
und im besonderen läßt sie einen
Spalt 58 zwischen den Abschlußenden der axial abgefluchteten
Spitzen Die Länge
des Spalts längs
der Spitzenachse hängt
von dem Prozeßparametern
ab, aber sie ist in jedem Falle vorzugsweise genügend klein, um Tunnelströme, Feldemissionen
und/oder kapazitive Ströme
zwischen den gegenüberliegenden
Spitzen zu gestatten. Durch sorgfältige Steuerung der Ätz- und
Oxidationsschritte, wie oben beschrieben, werden die Spitzen mit
scharfen Abschlußenden
versehen, die einander über
den Spalt 58 gegenüberliegen.
Der obere Teil der Insel 45 wird längs eines ausgewählten Teils
ihrer Länge
freigesetzt, so daß die
Insel 45 einen bewegbaren freitragenden Träger 24 über dem
Boden 14 bildet. Wenn es gewünscht wird, können die
Spitzen beschichtet werden, z.B. durch selektive Metallisierung
mittels chemischer Dampfablagerung nach dem Entfernen der Oxidschicht 54.
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Der
Träger 24 wird
durch das gleiche Verfahren erzeugt, wie es oben für die Spitzen 12 und 22 beschrieben
ist, und dieses Verfahren ist in 2 für den Querschnitt
2-2' der 1 veranschaulicht. Demgemäß wird im
Schritt 1 für
den Schnitt 2-2' die Siliciumwafer 18 mit
dielektrischen Schichten beschichtet, welche dann durch die Maske
Nr. 1 mit einem Muster versehen werden, um die Maske 42 zu erzeugen,
wie mit Bezug auf den Querschnitt 1-1' beschrieben worden ist. Das Muster
der Maske 42 wird dann mittels eines RIE-Schritts durch
die dielektrische Schicht 40 und in das Siliciumsubstrat 18 übertragen,
um die Insel 45 auszubilden (Schritt 2). Die Wafer wird
mit einem zweiten dielektrischen Material beschichtet, das dann
anisotrop zurückgeätzt wird, wobei
nur die Seitenwandschichten 48 intakt bleiben, wie in 2 im
Schritt 3 für
den Querschnitt 2-2' des Trägers 24 veranschaulicht
ist.
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Wie.
im Schritt 4 veranschaulicht ist, wird als nächstes eine isotrope Vertiefüngsätzung ausgeführt, um
die Ausnehmung 50 zu erzeugen, und danach wird im Schritt
6 eine selektive seitliche Oxidation von Silicium dazu benutzt,
um die Insel 45 vollständig
von dem Substrat zu isolieren. Da keine Spitzen an dieser Stelle
ausgebildet werden sollen, ist die Breite der Insel genügend schmal
gemacht worden (mittels der Maske 42), um eine vollständige Oxidation
quer über
ihre Breite sicherzustellen und demgemäß eine vollständige Isolation
und Abtrennung des oberen Teils der Insel 45 sicherzustellen.
Im Schritt 7 können
ausgewählte
Teile der dielektrischen Schicht 40 abgestreift werden,
und zwar für
Zwecke des elektrischen Kontakts durch Verwendung der Maske Nr. 3,
und danach kann im Schritt 8 eine leitfähige Materialschicht abgelagert
und mit einem Muster versehen werden, um elektrische Kontakte unter
Verwendung der Maske Nr. 4 auszubilden. Diese speziellen Schritte
werden im Querschnitt 2-2' nicht
ausgeführt, aber
sie können
an anderen Orten längs
des Trägers ausgeführt werden,
wie nachstehend beschrieben wird. Danach kann, wie im Schritt Nr.
9 gezeigt ist, die Maske Nr. 5 dazu verwendet werden, ausgewählte Teile
der Oxidschicht 54 durch isotropes Ätzen abzustreifen, so daß der Träger 24 mechanisch
freigesetzt wird, wobei er für
eine Bewegung mit Bezug auf den Boden 14 freigelassen wird.
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Wie
oben angegeben ist, ist der freitragende Träger 24 der 1,
welcher durch den in 2 veranschaulichten Prozeß ausgebildet
wird, in der Horizontalebene parallel zu dem Boden 14 bewegbar, und
er ist vertikal mit Bezug auf den Boden bewegbar; d.h., er ist in
Richtungen senkrecht zu der Achse 37 des freitragenden
Trägers
bewegbar. Jedoch ist der Träger 24 in
der Struktur der 1 axial nicht bewegbar. Infolgedessen
kann die Einrichtung Vibration und andere mechanische Bewegungen,
welche Komponenten in Richtungen senkrecht zu der Achse haben, jedoch
nicht längs
der Achse 37, detektieren und messen. Um Bewegung längs jener
Achse zu detektieren, kann ein zweiter, unabhängiger freitragender Träger aus
dem Substrat 18 ausgebildet werden, wobei die Achse des
zweiten Freiträgers
senkrecht zu der Achse 37 ist und sich vorzugsweise auch parallel
zum Boden 14 erstreckt. Die beiden freitragenden Träger haben
vorzugsweise die gleiche Struktur, und beide weisen gegenüberliegende
selbstabgefluchtete Spitzen auf, so daß sie zusammen die Detektion
von Bewegung in ihrer gemeinsamen Ebene (der X-Y-Ebene) gestatten, und beide eine Messung
der Bewegung in einer Richtung senkrecht zu der X-Y-Ebene (in der Z-Richtung)
liefern. Da die Abschlußenden
der Spitzen 12 und 22 extrem klein sind, sind
die Freiträger
fähig,
extrem kleine Bewegungen zu detektieren und zu messen.
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In
einem anderen Beispiel der Erfindung, das in den 3 und 4 veranschaulicht
ist, kann die Bewegung einer einzigen Spitze 22 in drei
Dimensionen mit Bezug auf eine entsprechende, selbstausgefluchtete,
gegenüberliegende,
stationäre
Fixpunktspitze 12 oder mit Bezug auf eine Oberfläche, wenn das
gewünscht
wird, mittels einer planaren, X-förmigen Spitzenhaltestruktur 60 gemessen
werden, die von einem Paar von sich schneidenden und miteinander
verbundenen Trägern 62 und 64 gebildet
ist, welche die Funktionen von zwei separaten, senkrechten freitragenden
Trägern 24 erfüllen, wie
oben erwähnt.
Die Träger 62 und 64 sind
vorzugsweise senkrecht zueinander und sind an ihrer Schnittstelle 66 zur
Ausbildung einer X-förmigen
Spitzenhaltestruktur Miteinander verbunden. Die Spitze 22 wird an
der Schnittstelle 66 ausgebildet und erstreckt sich nach
abwärts
nach einer stationären
Spitze 12 zu der Art und Weise, die in 1 für die Spitze
veranschaulicht ist, welche von dem freitragenden Träger 24 getragen
wird, und wie weiter im Schritt 9 des Querschnitts 1-1' (2)
veranschaulcht ist. Wie es der Fall bei dem Träger 24 war, werden
die Träger 62 und 64 aus
dem Siliciumsubstrat 18 in dem Verfahren ausgebildet, das
für den
Querschnitt 2-2' der 2 veranschaulicht
ist, wobei das Substrat mit einem Muster versehen wird, und den
X-förmigen
Halter 60 an der Schnittstelle der Träger zu erzeugen. Die in 3 für die Träger 62 und 64 veranschaulichten Querschnitte
1-1' und 2-2' werden unter Benutzung des
Verfahrens der 2, das für diese Querschnitte veranschaulicht
ist, hergestellt.
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Vorzugsweise
befindet sich der X-förmige Träger 60 in
einer Ausnehmung 68, die in einem Substrat 70 ausgebildet
ist, welches eine Siliciumwafer der mit Bezug auf 1 beschriebenen
Art sein kann. Die Ausnehmung, die durch die Maskierungs- und Ätzschritte
ausgebildet ist, welche mit Bezug auf 2 beschrieben
worden sind, hat eine kontinuierliche vertikale Seitenwand 72,
an welcher die Träger 62 und 64 vorzugsweise
befestigt sind, und zwar generell in der Art und Weise des Freiträgers 24 in 1,
obwohl es sich versteht, daß sie
durch Sockel in der Art und Weise gehalten sein können, die
in 1A veranschaulicht ist. In dem dargestellten Beispiel
erstreckt sich jedoch jeder der Träger vollständig über über die Ausnehmung und ist
mit entgegengesetzten Teilen der Seitenwand 72 an seinen
entgegengesetzten Enden verbunden. Um es zu ermöglichen, daß die an der Schnittstelle 66 ausgebildete Spitze
in der Ebene der Halteträger 62 und 64 bewegbar
ist, hat jeder Träger
flexible Segmente bzw. Abschnitte eingearbeitet, die eine Axialbewegung vorsehen.
Demgemäß ist z.B.
der Träger 62 an
seinem linken Ende 74 (gemäß der Ansicht der 3) an
der Wand 72 durch eine erste axiale Feder 76 angebracht,
während
der Träger 62 an
seinem rechten Ende 78 an der Wand 72 durch eine
zweite axiale Feder 80 befestigt ist. Diese Federn sind
Segmente bzw. Abschnitte des Trägers,
die durch den gleichen Prozeß wie
der Rest des Trägers 62 hergestellt
sind, wobei die spezielle Form und das Ausmaß bzw. die Erstreckung der
Feder durch den ersten Maskierungsschritt des Prozesses (2,
Schritt 1) bestimmt sind. Demgemäß wird der
Träger 62,
der die Federteile 76 und 80 aufweist, unter Benutzung
des im Querschnitt 2-2' in 2 veranschaulichten
Verfahrens hergestellt und aus dem Material des Substrats 70 ausgebildet.
Dieses Material, das vorzugsweise kristallines Silicium ist, ist
genügend
elastisch, um die Bildung von Federn zu gestatten, und durch sorgfältige Auswahl
der Form und Dicke des Materials in den Federsegmenten bzw. -abschnitten
können
sie genügend
steif gemacht werden, um den Träger 62 in
seiner nominellen Position zu halten, während sie noch eine Axialbewegung
des Trägers
in Ansprechung auf darauf angewandte Axialkräfte ermöglichen.
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Auf ähnliche
Art und Weise ist der Träger 64 (wie
in 3 gesehen) an seinen entgegengesetzten Enden 82 und 84 mit
entgegengesetzten Teilen der Wand 72 durch entsprechende
Federsegmente bzw. -abschnitte 86 und 88 verbunden,
wodurch der Träger 64 zu
einer Bewegung längs
seiner Längsachse fähig ist.
Wie dargestellt, ist die Längsachse
des Trägers 64 senkrecht
zu der Achse des Trägers 62,
obwohl sie sich unter einem gewissen anderen Winkel, wenn das gewünscht wird,
miteinander schneiden können.
Es versteht sich, daß,
da die Träger 62 und 64 an
ihrer Schnittstelle 66 miteinander verbunden sind, eine
Axialbewegung des Trägers 62 notwendigrweise
eine Lateralbewegung im Träger 64 erzeugt,
und umgekehrt. Die Flexibilität
der Federsegmente bzw. -abschnitte stellt sicher, daß die Spitze 22 an
der Schnittstelle 66 in jeder Richtung in der X-Y-Ebene,
die durch die Träger 62 und 64 definiert ist,
bewegbar ist. Außerdem
ist die Spitze 22 in der Richtung senkrecht zu der X-Y-Ebene
bewegbar, da sich beide Träger
in jener Richtung bewegen können.
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Die
Ausnehmung 68 weist eine im wesentlichen planare Bodenoberfläche 90 auf,
die unterhalb der Ebene der Träger 62, 64 und
vorzugsweise parallel zu dieser Ebene ist, und dieser Boden trägt die Spitze 12,
die selbstabgefluchtet mit der Spitze 22 ist, welche durch
den Spitzenhalteteil der Träger
an der Schnittstelle 66 in der mit Bezug auf 1 beschriebenen
Art und Weise getragen ist. Der X-förmige Halter 60 bewegt
die Spitze 22 mit Bezug auf diese untere Spitze 12.
Das Verfahren, mittels dessen die Träger 62 und 64 (wie
auch der Träger 24)
an ihren Endteilen ausgebildet werden, ist in tabellarischer Form in 2 für die Querschnitte
3-3' und 4-4' veranschaulicht,
ausgeführt
am rechtem Endteil 78 des Trägers 62 gemäß der Ansicht
der 3. Diese Veranschaulichung ist exemplarisch für das Anbringen der übrigen bzw.
verbleibenden Enden der Träger 62 und 64.
In dem Bereich des Querschnitts 3-3' wird der Träger in der Art und Weise ausgebildet,
wie sie mit Bezug auf den Querschnitt 2-2' durch die Schritte 1 bis 6 beschrieben
worden ist, und demgemäß sind die
Merkmale dieser Schritte in 2 gleichartig
numeriert. Nachdem die Insel 45, aus welcher der Träger in dem
Bereich des Querschnitts 3-3' ausgebildet ist,
durch die im Schritt 6 veranschaulichte Oxidation vollständig von
dem Substrat isoliert worden ist, wird die dielektrische Schicht 40 von
der Oberseite der Insel in ausgewählten Bereichen (Schritt 7)
abgestreift, um Teile der oberen Oberfläche 100 des Siliciumteils 102 der
Insel 45 freizulegen. In diesem Falle ist der Teil 102 der
Insel der Träger 62,
und der Teil der Oberseite des Trägers, welcher für Zwecke
des elektrischen Kontakts freizulegen ist, wird durch die Maske
Nr. 3 definiert, wie oben beschrieben ist. Nachdem die Oberseite
des Trägers
freigelegt worden ist, wird eine leitfähige Materialschicht, wie Aluminium,
abgelagert und gemustert (Schritt 8), um einen elektrischen Kontakt 104 auszubilden,
der schematisch als ein rechteckiger Kontakt in 3 gezeigt
ist. Der Kontakt wird durch die Maske Nr. 4 im Schritt 8 der 2 definiert,
und kann sich, wie in 3 gezeigt ist, über einen
Teil des Trägers 62 und
auf die Oberfläche
des Substratmaterials, das die Ausnehmung 68 umgibt, zum
Verbinden des Trägers
mit externen Schaltungen, wenn das gewünscht wird, erstrecken.
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Wie
vorher erörtert
wurde, werden im Schritt 9 ausgewählte Teile der Oxidschicht 54,
wie sie durch die Maske Nr. 5 definiert sind, isotrop weggeätzt, um ausgewählte Teile
der Trägerstruktur
freizusetzen, wie es im Querschnitt 2-2' in 1 veranschaulicht war.
Die gleiche Freisetzungskonfiguration ist auch in 3 im
Querschnitt 2-2' veranschaulicht,
wo der Träger 62 von
der Oxidschicht so freigesetzt wird, daß er sich zu einer freien Bewegung
quer über
den und parallel zu dem Boden 90 der Ausnehmung 68 erstreckt.
Jedoch wird die Oxidschicht 54 in dem Bereich des Querschnitts
3-3' in den 2 und 3 im
Schritt 9 durch die Maske Nr. 5 bedeckt, um einen Teil der Oxidschicht
unterhalb des Trägers
intakt zu lassen. Demgemäß bleibt
ein Endteil des Trägers 62 durch
die Schicht 54 benachbart der Wand 72 gehalten,
wobei sich der Rest des Trägers
von der Wand nach der Mitte der Ausnehmung 68 zu in einer
Freiträgerart
nach einwärts
erstreckt. Der Teil der Oxidschicht 54, der zum Halten
des Trägers
bleibt, ist in der Aufsicht von oben in 3 veranschaulicht.
Dieser Halter erstreckt sich von der Wand 72 nach einwärts zu einer
Begrenzungswand 106, welche den Rand der Oxidschicht 54 begrenzt, nachdem
der Rest der Trägerstruktur
freigesetzt worden ist. Der Ort der Wand 106 und demgemäß das Ausmaß der Haltestruktur
für den
Träger
wird durch die Maske Nr. 5 im Schritt 9 des Herstellungsverfahrens
der vorliegenden Erfindung definiert.
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Der
Träger 62 wird
von dem umgebenden Substratmaterial mittels eines oxidierten Abschnitts bzw.
Segments 110 isoliert, welcher bzw. welches vorzugsweise
an dem Ende des Trägers
ist, wo er bzw. es auf die Umfangswand 72 trifft. Die Bildung dieses
oxidieren Segments bzw. Abschnitts ist in den Schritten 1 bis 9
der 2 unter der Überschrift "Querschnitt 4-4''" veranschaulicht.
Die Schritte 1 bis 4 sind die gleichen wie die bei der Bildung des
Rests des Trägers 62 verwendeten
Schritte, und demgemäß sind entsprechende
Komponenten durch gleichartige Zahlen identifiziert. Nachdem die
isotrope Vertiefungsätzung
im Schritt 4 ausgeführt
worden ist, um die Insel 102 durch einen zu einem Hals
herabgesetzten Teil 102 getragen sein zu lassen, wird die Maske
Nr. 2 im Schritt 5 dazu benutzt, um die dielektrische Schicht 40 und
die Nitridschicht 48 von der Insel 45 abzustreifen,
so daß der
Inselteil 102 in dem Bereich des Segments bzw. Abschnitts 110 freiliegend
gelassen wird. Wie in 2 veranschaulicht ist, wird
das Freigelegte Siliciummaterial des Inselteils 102 während der
im Schritt 6 des Verfahrens ausgeführten Oxidation oxidiert, so
daß der
Schritt 6 nicht nur die Schicht 54 bildet, sondern auch
den freigelegten Teil der Siliciuminsel vollständig durch dessen Querschnitt
oxidiert.
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Die
obere Oberfläche
des Segments bzw. Abschnitts 110 bleibt während der
Bildung des elektrischen Kontakts 104 im Schritt 7 freigelegt,
und demgemäß wird diese
Oberfläche
durch die leitfähige
Materialschicht bedeckt, welche mittels der Maske Nr. 4 mit einem
Muster versehen wird, um den elektrischen Kontakt im Schritt 8 auszubilden,
wie oben mit Bezug auf den Querschnitt 3-3' erörtert
worden ist. Wie in 3 veranschaulicht ist, überspannt
der elektrische Kontakt 104 den Endteil des Trägers 62, wobei
er sowohl das oxidierte Segment 110 als auch einen Endteil
des nichtoxidierten Trägers 62 bedeckt. Wie
oben mit Bezug auf den Schritt 9 erörtert worden ist, verhindert
die Maske Nr. 5, daß die
Oxidschicht 54 aus den Bereichen des Querschnitts 3-3' und 4-4' entfernt wird, um
zusätzliche
Unterstützung
für den Träger 62 an
dessen Verbindung mit der Wand 72 vorzusehen. Es versteht
sich, daß jeder
der Endteile der Träger 62 und 64 in
einer gleichartigen bzw. ähnlichen
Art und Weise aufgebaut ist, wie es jene ist, die mit Bezug auf
den Endteil 78 veranschaulicht ist. Weiter versteht es
sich, daß,
wenn es gewünscht wird,
andere Segmente bzw. Abschnitte der Träger 62 und 64 unter
Verwendung der Oxidationstechnik der Schritte 5 und 6 elektrisch
isoliert werden können.
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Eine
Axialbewegung von jedem der Träger 62 und 64 wird
gemäß einem
Beispiel mittels Wandlern erzeugt und detektiert, welche vorzugsweise
relativ bewegbare kapazitive Platten sind, die auf den Trägern ausgebildet
sind. Jeder Wandler weist einen ersten kammförmigen Satz von Platten auf,
der auf dem Material der stationären
Basis (oder des Substrats), welches die Ausnehmung 68 umgibt,
angebracht ist, und einen zweiten kammförmigen Satz von relativ bewegbaren
komplementären
Platten, die auf dem Träger 62 oder 64 angebracht
sind Demgemäß sind z.B.
mit den Trägern 62 Wandler 120 und 121 auf
entgegengesetz ten Seiten der Schnittstelle 66 vereinigt,
während
mit dem Träger 64 Wandler 122 und 124,
auch auf entgegengesetzten Seiten der Schnittstelle 66,
vereinigt sind, so daß die
Bewegung und Position der Spitze 22 präzise gemessen und gesteuert
bzw. geregelt werden kann. Der Wandler 120 ist exemplarisch
für die
vier Wandler und weist einen ersten und zweiten Satz 124 und 125 von
stationären kapazitiven
Platten auf, die sich auf entgegengesetzten Seiten des Trägers 62 befinden.
Diese kapazitiven Platten sind in der gleichen Art und Weise wie
die Träger 62 und 64 hergestellt,
wie es mit Bezug auf 2 beschrieben worden ist, und
jeder Satz weist vorzugsweise drei oder mehr beabstandete, parallele,
sich nach einwärts
erstreckende Kondensatorplatten oder "-finger" 126 auf, die fest an einer
Basis 127 in einer Kammform angebracht sind. Die Sätze von Kondensatorplatten
erstrecken sich horizontal einwärts
in die Ausnehmung in Freiträgerweise,
vorzugsweise parallel zum Boden 90 derselben, wobei jede
der Platten 126 vertikal ist.
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Vorzugsweise
sind die Sätze 124 und 125 an Bereichen
des umgebenden Substratmaterials 70 befestigt, welche oxidiert
sind, um eine elektrische Isolation vorzusehen, wie bei 132 und 134 gezeigt
ist, damit die Platten von dem Substrat elektrisch isoliert sind.
Die isolierten Bereiche 132 und 134 sehen Wege
vor, auf denen elektrische Leitungen (nicht gezeigt) zum Verbinden
einer Steuer- bzw. Regelschaltung mit den jeweiligen Sätzen 124 und 125 aus
stationären
Platten ausgebildet sein können.
Z.B. können
diese Platten mittels solcher elektrischer Leitungen mit geeigneten
Spannungsquellen (nicht gezeigt) für das Anlegen von auserwählten Potentialen an
die Kondensatorsätze
zum Steuern bzw. Regeln der Axialbewegung des Trägers 62 verbunden
werden, und sie können
mit einer geeigneten Abfühlschaltung
zum Detektieren von Änderungen
in der elektrischen Ladung auf den Sätzen 124 und 125 aufgrund
von extern auferlegter Bewegung des Trägers 62 verbunden
sein.
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Der
Wandler 120 weist außerdem
bewegbare Sätze 138 und 139 von
kapazitiven Platten auf, oder "Finger" 140, die
z.B. mittels eines Haltearms 142 an dem Träger 62 angebracht
sind. Die Federn 76 und 80 im Träger 62 befähigen die
Plattensätze 138 und 139 sowie
den Träger 62,
sich axial in den Richtungen des Pfeils 144 zu bewegen.
Die Sätze 138 und 139 sind
kammförmig
und weisen sich nach auswärts
erstreckende vertikale parallele Platten 140 auf, die mit
den sich nach einwärts
erstreckenden Platten 126 des Satzes 124 bzw. 125 ineinandergreifen
bzw. doppelkammartig sind, wobei die ineinandergreifenden bzw. doppelkammartigen
Platten leicht voneinander beabstandet sind, um eine Freiheit der Bewegung
des Trägers 62 ohne
Kontakt zwischen den gegenüberliegenden
Platten zu ermöglichen. Das
Anlegen einer Spannung an die Sätze 124 und 125 erzeugt
ein Potential quer über
den Zwischenraum zwischen den Platten der Sätze 124 und 138 bzw.
der Sätze 125 und 139,
so daß dadurch
die bewegbaren Sätze 138 und 139 in
die Sätze 124 und 125 und
nach den Sätzen 124 und 125 zu
gezogen werden, wodurch der Träger 62,
bezogen auf die Ansicht der 3, nach
links bewegt wird.
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In ähnlicher
Art und Weise hat das Anlegen eines Spannungspotentials an die stationären Platten
der Kondensatoren, welche den Wandler 121 an dem entgegengesetzten
Ende des Trägers 62 bilden, die
Tendenz, den Träger 62 längs seiner
Längsachse,
bezogen auf die Ansicht der
-
3,
nach rechts zu zu bewegen, und durch Ausgleichen der an die beiden
Wandler angelegten Spannungen kann der Träger 62 und demgemäß die von
dem Träger
an der Schnittstelle 66 getragene Spitze 22 präzise längs einer
X-Achse Lokalisiert werden, welche durch die Achse des Trägers 62 definiert
ist.
-
Die
Wandler 122 und 123, welche gleichartig bzw. ähnlich dem
Wandler 120 sind, können
in gleichartiger Weise erregt werden, um den Träger 64 längs seiner
Längsachse
in den Richtungen zu bewegen, die durch den Pfeil 146 angedeutet
sind, so daß die Spitze 22 an
der Schnittstelle 66 präzise
längs einer Y-Achse
lokalisiert werden kann, die durch den Träger 64 definiert ist.
Eine angemessene Auswahl der an jeden der Wandler 120 bis 123 angelegten
Spannungen gestattet eine präzise
Lokalisierung der Spitze in jeder Richtung in der durch die Träger 62 und 64 definierten
Horizontalebene.
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Irgendein
bzw. jeder elektrische Strom, der zwischen den Spitzen 22 und 12 fließt, fließt auch durch
das Halbleitermaterial der Träger 62 und 64 zu den
elektrischen Kontaktbereichen 104 auf den oberen Oberflächen der
Träger,
und dann durch geeignete Verbinder zu der Schaltung und Instrumentation derart,
wie jene, die bei 36 in 1 veranschaulicht ist.
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Die
Einrichtung der 3 kann z.B. als ein Beschleunigungsdetektor
verwendet werden, worin eine mechanisch auferlegte Bewegung des
Substrats aufgrund von äußeren Kräften bewirkt,
daß sich die
Spitzenhaltestruktur 60 leicht mit Bezug auf das Substrat
gemäß der Richtung
der Beschleunigung des Substratmaterials bewegt. Diese Bewegung
erzeugt eine Änderung
in dem elektrischen Strom oder dem elektrischen Potential zwischen
den Spitzen 12 und 22, welche durch die mit einem
Kontakt 104 verbundene Abfühlschaltung detektiert werden
kann Die Sensoren können
dann Spannungen an einem oder mehreren der Wandler 120 bis 123 erzeugen,
die das Bestreben haben, die Spitzenhaltestruktur 60 in
einer Richtung des Zurückführens der
Spitzen 12 und 22 in die Fluchtung zu bewegen.
Die Spannungen, die erforderlich sind, das zu tun, liefern ein Maß der auf
das Substrat angewandten Kraft. Auf diese Weise können Vibrationen
und andere mechanische Bewegungen in der X-Y-Ebene detektiert und
gemessen werden.
-
Es
wird bemerkt, daß in
dem Beispiel der 3 und 4, worin
die Träger 63 und 64 im
wesentlichen linear sind, der Abstand zwischen den ineinandergreifenden
bzw. doppelkammartigen Platten der kapazitiven Wandler 120 bis 123 genügend sein muß, um eine
gewisse Lateralbewegung des Trägers zu
gestatten, an dem die bewegbaren Platten angebracht sind, ohne einen
Kontakt zwischen den benachbarten Platten zu erzeugen. Dieses stellt
sicher, daß eine
angemessene Steuerung bzw. Regelung der Bewegung oder ein Abfühlen der
Bewegung aufrechterhalten wird, während noch eine freie Bewegung
der Spitze 22 mit Bezug auf die Spitze 12 in jeder
Richtung in der Horizontalebene ermöglicht wird.
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Obwohl
das in 3 nicht veranschaulicht ist, ist es ersichtlich,
daß dann,
wenn (Z-Richtungs)-Bewegung
der Träger 62 und 64 erforderlich ist,
um den Spalt zwischen den Spitzen 12 und 22 einzustellen,
oder wenn eine solche Bewegung detektiert werden soll, eines oder
mehrere Paare von horizontalen kapazitiven Platten z.B. in der Form
von Elektroden (wie die Elek trode 104) auf den Trägern 62 und 64 ausgebildet
werden können.
Entsprechende stationäre
Elektroden können
entweder auf dem Boden 90 oder auf einer sich oberhalb
der Träger
erstreckenden Struktur ausgebildet sein, wobei Spannungen zwischen
den Elektroden angelegt werden, um eine Vertikalbewegung (senkrecht
zu der Seite), bezogen auf die Ansicht in 3, vorzusehen.
Eine solche vertikale Steuerung bzw. Regelung oder Z-Achsen-Steuerung
bzw. -Regelung mag nicht nur wünschenswert
sein, sondern, da die Träger 62 und 64 in
vielen Fällen
das Bestreben sich haben, beim Freisetzen von den Oxidschichten
leicht nach aufwärts
zu biegen, kann eine solche Z-Achsen-Steuerung bzw. -Regelung oft
erforderlich sein, um den gewünschten
Spalt zwischen den Enden der Spitzen 12 und 22 aufrechtzuerhalten.
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Die 4 veranschaulicht
die Spitzenhaltestruktur 60 der 3 in einer
perspektivischen Ansicht, welche die Orte der Spitzen 12 und 22 und
die Abstandsbeziehung zwischen den Trägern 62 und 64 und
dem Boden 90 der Ausnehmung 68 deutlicher veranschaulicht.
Wie dargestellt ist, kann das Verfahren des Ausbildens der Spitzen 12 und 22 auf
dem Boden 90 restliche aufrechte Rippen 150 und 152 lassen,
die parallel zu den Trägern 62 und 64 sowie im
Abstand unterhalb der Träger
angeordnet sind.
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Die
bewegbare Trägerstruktur
der 3 findet Anwendung in einem weiten Bereich von
Instrumenten, wie einem Stellantrieb und/oder einem Sensor, und
hat trotzdem den Vorteil, in Einkristallsilicum auf einer Fläche von
nur 40 um mal 40 um hergestellt zu werden. Die Einrichtung ist genügend stabil
für die Verwendung
als ein Abtasttunnelungs- bzw. -tunnelmikroskop; in einer Ausführungsform
der Einrichtung wurde gefunden, daß die Träger eine Steifigkeit von 55
N/m in der X- und Y-Richtung von 30 N/m in der Z-Richtung vorsehen
Die Einrichtung liefert reproduzierbare STM-Bilder bis etwa 0,1 Ångstrom.
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Wie
oben bemerkt, führt
die Bildung der in 2 veranschaulichten Struktur
beim Querschnitt 1-1' zu
einer generell konischen Spitze, wenn die Insel 45 in dem
Bereich, wo die Spitze ausgebildet werden soll, rund oder quadratisch
ist, so daß die
Oxidation im wesentlichen equidistant von der Spitzenachse auftritt,
wenn sie das Substratmaterial von allen Seiten her aufbraucht. Sowohl
der vergrößerte Endteil 39 des
Trägers 24 als
auch die gekreuzten Träger an
der Schnittstelle 66 bilden solche konischen Spitzen aus.
Da der Durchmesser des vergrößerten Endes
oder der Schnittstelle größer als
die Breite der Träger
ist, hinterschneidet weithin die Oxidation den Träger vollständig vor
dem Spitzenbereich, wobei sie die selbstabfluchtenden Spitzen läßt, die
sich zwischen dem Träger
und dem darunterliegenden Substrat erstrecken. Andere Formen von
gegenüberliegenden,
selbstabgefluchtet Strukturen können
durch sorgfältige
Auswahl der Dimensionen der Halterstruktur und Steuerung der Ätz- und
Oxidierschritte des Prozesses erzeugt werden. Z.B. können gegenüberliegende,
selbstabgefluchtete Spitzen in der Form von Keilen, wie jene, die
bei 160 und 162 in 5 veranschaulicht
sind, mittels des Erzeugens von rechteckigen Inselstrukturen durch
die Verwendung von geeigneten Masken hergestellt werden. Wenn solche
rechteckigen Strukturen oxidiert werden, werden sie mit der gleichen
Rate in allen Richtungen aufgebraucht, jedoch führt die verlängerte Länge der
Insel zu Ianggestreckten Keilteilen der Art, wie jene, die bei 164 und 166 veranschaulicht
sind.
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Wenn
es der Oxidschicht 54 (2) gestattet
wird, an Ort und Stelle zwischen zwei gegenüberliegenden selbstabgefluchteten
Spitzen zu bleiben, sind sie nicht relativ bewegbar. Jedoch beruht
in diesem Falle die Spitzenstruktur auf Tunnelung durch das Oxid
selbst von einer Spitze zur anderen. Solche Tunnelung wird durch
Vorsehen von sehr scharfen Spitzen in sehr enger Nähe zueinander
vergrößert; z.B.
mit einem Spalt von etwa 20 Ångstrom
zwischen den Enden von benachbarten Spitzen. In dem Fall, in welchem
das Oxid vollständig
entfernt wird, um die Insel oder den Träger von ihrer bzw. seiner unteren Träger- bzw.
Halteschicht freizusetzen, werden die beiden gegenüberliegenden
Spitzen mit Bezug aufeinander bewegbar, und machen eine Anzahl von
anderen Anwendungen verfügbar,
wie oben beschrieben. Eine Tunnelung oder Feldemission zwischen den
gegenüberliegenden
Elementen kann noch quer über
den Spalt zwischen den Spitzen auftreten, wie oben beschrieben,
aber außerdem
können
sich die Spitzen in Ansprechung auf eine externe Stimulierung bewegen.
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Während der
Bildung der sich schneidenden Träger 62 und 64,
wie oben mit Bezug auf die 3 und 4 beschrieben
worden ist, können
elektronische Einrichtungen, wie Dioden, MOSFETs oder bipolare Transistoren
in die Träger
und in den Bereich der Schnittstelle eingearbeitet werden. Wenn
eine solche Struktur in dem Bereich der Schnittstelle 66 vorgesehen
wird, wird der externe bzw. nach außen gehende elektrische Kontakt
mit der elektronischen Einrichtung über die Trägerstruktur und/oder die Elektroden,
die auf der Oberfläche
des Trägers
hergestellt werden, unter Verwendung des gleichen Verfahrens vorgesehen,
wie es für
die Elektrode 104 in 2 veranschaulicht
ist. Weiter kann das Ausmaß der
Hinterschneidungsoxidation in der Ausnehmung 50 (2,
Schritt 6) dahingehend gesteuert werden, daß selektiv eine direkte Ohmsche
elektrische Verbindung zu dem Substrat oder eine Tunnelungsverbindung
zu dem Substrat oder eine totale Isolation von dem Substrat vorgesehen
wird, und durch Steuern der Entfernung des Oxids unter der Insel
kann die Kapazität
zwischen der Insel und dem Substrat verändert werden. Wenn die Insel vollständig freigesetzt wird,
so daß die
Struktur beweglich wird, können
auf dem Träger
hergestellte elektronische Einrichtungen die Schaltung vorsehen,
welche für
das Steuern bzw. Regeln des vertikalen Abstands zwischen den Spitzen
benötigt
wird. Z.B. kann eine solche Schaltung die kapazitive Wirkung zwischen
dem Träger
und dem Substrat steuern bzw. regeln, so daß eine elektrostatische Steuerung
bzw. Regelung des Trägers
in der Art und Weise ermöglicht
wird, welche durch die Wandler 120 bis 123 vorgesehen
wird.
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Die
Ausbildung einer MOSFET-Einrichtung längs eines Trägers ist
in 6 veranschaulicht, worin die obere Oberfläche der
Insel 170, welche aus dem gleichen Siliciummaterial wie
ihr darunterliegendes Substrat 172 ist, durch eine Gate-
bzw. Toroxidschicht 174 und eine Polysilicongate- bzw.
-torschicht 172 bedeckt wird. Die Seiten der Insel werden
in irgendeiner geeigneten Art und Weise dotiert, um n+-Bereiche 178 und 180 auf
diametral entgegengesetzten Seiten der Insel herzustellen. Die so
ausgebildete MOSFET-Einrichtung bewegt sich mit dem Träger und
ist elektrisch von der umgebenden Haltestruktur durch das isolierende
Segment bzw. den isolierenden Abschnitt 110 isoliert, das
bzw. der durch den Oxidationsschritt erzeugt wird, welcher im Querschnitt
4-4' veranschaulicht.
ist. Danach kann eine elektrische Verbindung mit dem Gate- bzw.
Torbereich 176 mittels eines verdampften oder gesputterten
Metallfilms, wie eines Aluminiumfilms, erzeugt werden, der sich
von dem Gate- bzw. Torbereich aus entlang dem Träger und quer über den
oxidierten Bereich 110 zu einer geeigneten elektrischen
Kontaktstelle erstreckt, und zwar in der Art und Weise des elektrischen
Kontakts 104, der in 2 im Querschnitt
4-4' veranschaulicht
und in den 3 und 4 gezeigt
ist. Es können
auch andere elektronische Einrichtungen in den Trägern in
der gleichen Art und Weise wie die oben beschriebene MOSFET-Einrichtung
vorgesehen sein, wobei angemessene elektrische Verbindungen, wie
sie erforderlich sind, hergestellt werden.
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Obwohl
die Erfindung hinsichtlich des Vorsehens von vertikalen selbstabgefluchteten
konischen oder keilartigen Spitzen veranschaulicht worden ist, versteht
es sich, daß auch
horizontale selbstabgefluchtete Spitzen unter Benutzung der gleichen
allgemeinen Techniken ausgebildet werden können. Ein Verfahren zum Ausbilden
von horizontalen selbstabgefluchteten dualen keilartigen Spitzen
ist in den 7, 8 und 9 veranschaulicht.
Diese Technik basiert auf der Tatsache, daß die Oxidation des Siliciums
durch sehr kleine "Fenster" in einer Nitridmaskenschicht
stattfinden kann, und daß die
Dicke des Oxids von der Weite bzw. Breite des Fensters abhängt. Wenn
die Größe einer
Fensteröffnung auf
der Oberseite einer schmalen Siliciuminsel angemessen ausgewählt wird,
kann demgemäß das Ausmaß, bis zu
dem sich das Oxid, welches von der Oberseite der Insel nach abwärts wächst, dem
Oxid annähert,
welches unterhalb der Insel aufwärts wächst, in
der Art und Weise der Oxidbildung in der Ausnehmung 50 der 2,
Schritt 5 zugeschnitten werden, um horizontale selbstabgefluchtete
gegenüberliegende
keilförmige
Spitzen vorzusehen, die ausgewählte
Spalte zwischen benachbarten Spitzen haben Um horizontale selbstabgefluchtete
Keile auszubilden, wird eine trägerförmige Insel 190 von
einer Wafer, die ein Siliciumsubstrat 192 hat, gemäß dem Verfahren
hergestellt, das in den Schritten 1 bis 4 der 2 veranschaulicht
ist. Die Insel wird auf ihrer Oberseitenoberfläche (siehe 7)
mit einer dünnen Schicht 194 aus
Siliciumoxid ausgebildet, die durch eine Maskenschicht 196 aus
Siliciumnitrid bedeckt wird, welche Schichten ähnlichen den Schichten 40 und 48 in 2 sind.
Durch geeignete Maskierung der Insel 190 werden Submikron-Fenster 198 und 200 durch
die Siliciumoxidschicht 194 und die Nitridschicht 196 auf
der Oberseite der Insel 190 geätzt, um die Oberseitenoberfläche 202 des
Siliciumsubstratmaterials 192 freizulegen. Danach wird
die Oberfläche
der Wafer oxidiert, wobei das Oxid durch die Fenster 198 und 200 nach
abwärts
wächst
und nach aufwärts
unter dem unteren Rand 203 der Maskenschicht 196 durch
die Ausnehmungen 204 und 205, welche der Ausnehmung 50 der 2 entsprechen, in
den oberen Teil der Insel wächst.
Das Wachstum des Oxids ist durch die gestrichelten Pfeile 206 (siehe 8)
angedeutet, und die Menge des gebildeten Oxids hängt von der Breite bzw. Weite
des Submikron-Fensters, der Oxidationszeit, der Höhe der Insel, der
Tiefe der Vertiefungsät zung,
und dergleichen ab. Die Oxidation bewirkt, daß die Siliciuminsel 190 nicht nur
in den hinterschnittenen Bereichen 204 und 205 sondern
auch in den Fenstern 198 und 200 im Durchmesser
verringert wird, so daß der
gewünschte
Grad an Isolation zwischen benachbarten Segmenten bzw. Abschnitten
der Insel erzeugt wird. Der Oxidationsprozeß in dem Siliciummaterial erzeugt
axial selbstabgefluchtete Spitzen in jedem Fenstersegment bzw. -abschnitt
in der Form von Keilen, wobei die Achsen der Spitzen parallel zu
dem Substrat sind, wie in 9 veranschaulicht
ist. Die Keile entsprechen den Segmenten bzw. Abschnitten 207, 208 und 209 der
Insel 190, wobei es sich versteht, daß die Segmente bzw. Abschnitte
in 9 anfänglich
von Oxid umgeben sind, das dann selektiv entfernt wird, um ausgewählte Keile
für eine
Relativbewegung mit Bezug aufeinander und/oder auf das Substrat
freizusetzen.
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Wie.
in den 8 und 9 veranschaulicht ist, sind
die axial horizontalen Keile 207, 208 und 208, 209,
die wie oben beschrieben hergestellt sind, durch Spalte 210 bzw. 212 voneinander
beabstandet. Der Abstand zwischen den Spitzen hängt von der Breite bzw. Weite
des Fensters ab. Obwohl die Oxidation gewöhnlich mit im wesentlichen
der gleichen Rate bzw. Geschwindigkeit auf allen freiliegenden Oberflächen fortschreitet,
ist dieses nicht der Fall, wenn sich die Fenstergröße dem tiefen
Submikronbereich annähert;
d.h., wenn die Fensteröffnung
in dem Bereich von 0,1 bis 0,2 Mikron ist. Demgemäß fällt die
Oxiddicke, die in einem Fenster gewachsen ist, ab, wenn die Fensteröffnung von
etwa 1 Mikron in den Submikronbereich vermindert wird, und diese Verminderung
in der Rate bzw. Geschwindigkeit ermöglicht es, daß dieser
spezielle Prozeß abläuft.
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Es
sei bemerkt, daß die Öffnung eines "Fensters" in der Oberseitenoberfläche des
Nitrids über
die Seiten der Insel durch Überätzen des
Nitrids verlängert
werden kann, so daß ein
Teil der Nitridseitenwand in der Nähe der Öffnung der oberen Oberfläche von
der Siliciuminsel entfernt wird, wie durch die gestrichelten Linien 214 in 7 angedeutet
ist. Dieses Entfernen der Nitridmaske von den Seitenwänden der
Insel ermöglicht
es, daß die
Oxidation die Insel nicht nur von der oberen Oberfläche und
von den unteren Ausnehmungen her erreicht, sondern auch von einem
Teil oder der Gesamtheit der Seitenwand durch den Bereich 214.
Auf diese Weise können
anstelle der Keile der 9 selbstabgefluchtete konische
Spitzen 216, 217 hergestellt werden, wie in den 22 und 23 veranschaulicht
ist.
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Der
Schlüssel
zum Ausbilden von lateralen Spitzen durch tiefe Submikronfenster
auf der Oberseite der Insel und durch Fenster, welche sich über die
seitlichen Ränder
der Insel erstrecken, ist das Vorsehen einer die obere Oberfläche maskierenden Nitridschicht
(unter welcher ein Beanspruchungs-Entlastungs-Oxidfilm abgelagert
ist) und das weitere Vorsehen einer die Seitenwand maskierenden
Nitridschicht. Demgemäß kann eine
Steuerung der Form der horizontalen selbstabgefluchteten Spitzen
durch die Verwendung der Submikron-Fenstertechnik. oder durch die
Benutzung von lithographischen Masken 42 (2 und 22A) erreicht werden, um die Inseln zu erzeugen,
die sich oberhalb des Siliciumssubstrats erstrecken. Anstelle des
Ausbildens von rechteckigen trägerartigen
Inseln, derart, wie in 7 veranschaulicht, ist es möglich, durch Elekrronenstrahllithographie
derart, wie jene, die z.B. in der Aufsicht von oben in der 22A veranschaulicht ist, unterschiedliche Formen
zu erzeugen, welche unterschiedliche Muster der Oxidation erzeugen. Demgemäß kann die
Maske, die die aufrechte Insel bildet, quadiatisch, rund, rechteckig,
sich verjüngend sein,
kann mit gekrümmten
Enden oder Seiten versehen sein, oder kann abgestuft sein, wie in 22A, wobei alles dieses zu unterschiedlichen Mustern
der Oxidation führt
und demgemäß zum Erzeugen
von entsprechend unterschiedlichen Spitzen- und Trägerformen in horizontaler Selbstabfluchtung.
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Wo
eine Elektronenstrahllithographie benutzt wird, um die Inseln zu
definieren bzw. zu begrenzen, wie generell bei 218 in 22A veranschaulicht ist, werden die dünnsten Linien,
die gebildet werden können,
durch "Nullbreiten"-Spuren ausgebildet,
welche in der Breite ein einziges Pixel bzw. Bildelement sind; d.h.,
die Linie hat angenähert
die gleiche Größe wie der
Elektronenstrahlfleckdurchmesser. Da sich ein solcher Elektronenstrahl
in Schritten anstatt kontinuierlich bewegt, haben sie das Bestreben,
eine Reihe von kreisförmigen
Flecken oder Pixel bzw. Bildelementen zu erzeugen. Nullbreiten-Linien
können
dadurch gezogen werden, daß man
zwei oder drei Spuren längs
der gleichen Linie ausführt.
Obwohl nominell die einzelnen Pixel- bzw. Bildelemente, welche von dem Strahl
während
jeder Spur gebildet werden, exakt an der gleichen Stelle landen,
liefern sehr kleine Fehler in der Strahlplazierung von Spur zu Spur
eine zufällige
bzw. statistische Versetzung, so daß eine gerade Linie, wie die
Linie 219, vorgesehen wird, die ausreichend ist, eine gegebene
Resistschicht freizulegen bzw. zu belichten, um die gewünschte Linienbreite
vorzusehen. Mehrfache und Seite-an-Seite-Durchgänge des Elektronenstrahls erzeugen
die Linien 220 bis 225, wie in 22A veranschaulicht ist, um die gewünschte Breite
und Form des freigelegten bzw. belichteten Bereichs in dem Resist
vorzusehen und definieren demgemäß die Form
der Insel, die während
des hier beschriebenen Herstellungsprozesses ausgebildet wird. Verschiedene
andere Techniken für
das lithographische Definieren bzw. Begrenzen der Form der Insel
sind ersichtlich.
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Die
oben beschriebenen Maskierungs- und Oxidationsschritte führen zu
Querschnittsstrukturen, wie sie in den 22B, 22C und 22D veranschaulicht
sind, in den Querschnittsbereichen B bzw. C bzw. D der 22A. Demgemäß führt eine Nitridmaske 226 in
dem Bereich der einzelnen geätzten
Linie 219 zu einem isolierten Trägerteil 227, der im
Abstand über
einem Substrat 228 angeordnet und durch Oxid 229 getrennt
ist, wie im Querschnitt in 22B zu
sehen ist. Die einzelne Linie erzeugt außerdem seitlich verengte Bereiche 230 (in
der Aufsicht von oben), wie in 23 veranschaulicht
ist, welche zu der Bildung von gegenüberliegenden Spitzen 216 und 217 führt, die
längs der
Linie 219 abgefluchtet sind.
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Die Ätzlinien 220 und 223 (22A) erzeugen einen lateral weiteren bzw. breiteren
Bereich im Träger 227,
wie bei 232 im Querschnitt C-C in 23 veranschaulicht
ist, wobei der Träger
von dem Substrat in der Art und Weise isoliert wird, wie sie in 22C veranschaulicht ist. In ähnlicher Weise führen Ätzlinien 221, 222, 224 und 225 zu
einem noch weiteren bzw. breiteren Bereich 233 im Träger 227, wie
wiederum im Querschnitt D-D in 23 veranschaulicht
ist. Dieser Träger
ist in der dargestellten Ausführungsform
im Querschnitt D-D, der in 22D veranschaulicht
ist, nicht vom Substrat 228 isoliert, jedoch ist der Träger 227 mittels
eines Sockelbereichs 234 auf dem Substrat 228 gehaltert,
so daß dadurch
die horizontal beabstandeten, lateral abgefluchteten Spitzen in
einer Freiträgerweise
gehaltert sind.
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Die
horizontalen selbstabgefluchteten Spitzen der 9 und 23 sind
wichtig, weil sie einen vorteilhaften Weg zum Vorsehen von sehr
kleinen Kondensatoren, die in eine Siliciumwafer integriert sind,
bilden.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist es auch möglich,
Strukturen zu erzeugen, worin mehrere selbstabgefluchtete Spitzenpaare
in vertikaler Fluchtung durch bzw. über die Höhe einer Insel hergestellt
sind. Ein Beispiel des Verfahrens zum Herstellen einer solchen Struktur
ist in 10, Schritte 1 bis 7, veranschaulicht.
Der Schritt 1 veranschaulicht eine Standard-ISLO-Struktur, die gemäß dem Verfahren der Schritte
1, 2 und 3 der 2 ausgebildet wird. Diese Struktur
umfaßt
ein Siliciumsubstrat 235, das so ausgebildet ist, daß es einen
aufrechten Inselteil 236 aufweist, auf dem sich eine erste
Oxidschicht 237 (Ox-1), eine erste Nitridschicht 238 (Ni-1) und
eine zweite Oxidschicht 239 (Ox-2) befinden. Wie dargestellt,
erstreckt sich eine zweite Nitridschicht 240 (Ni-2) vollständig über die
Oberseite und die Seiten der Insel.
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Im
Schritt 2 wird zuerst die Nitridschicht 240 von den horizontalen
Oberflächen
durch RIE entfernt, wobei die Nitridschicht 240 auf den
Seitenwänden
bleibt. Der RIE-Ätzprozeß wird fortgesetzt,
wobei die Oxidschicht 239 die Nitridschicht 238 schützt, während ein
Teil der Nitridschicht 240 auf der Seitenwand entfernt
wird. Dieses "Überätzen" läßt nur die partiellen
Seitenwandnitridabschnitte 241 und 242 (Ni-2) übrig.
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Die
Struktur wird als nächstes
planar gemacht, wie im Schritt 3 der 10 veranschaulicht ist,
und zwar z.B. durch die Verwendung eines Polyimidharzes oder einer
Aufspinnglas(SOG)-Schicht, gefolgt von einem Rückätzen, um einen Oberseitenteil
der Insel aufzudecken. Demgemäß erstreckt
sich, wie im Schritt 3 dargestellt, die Insel 236 über eine SOG-Schicht 243,
welche auf der horizontalen oberen Oberfläche des Substrats 235 liegt,
aber welche den oberen Teil der Insel 236 und deren Abdeckungsschichten 237 bis 239 freiliegend
läßt
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Der
nächste
Schritt besteht, wie im Schritt 4 in 10 dargestellt
ist, darin, eine LPCVD (Chemische Dampfablagerung bei niedrigem
Druck)-Nitridschicht 244 (Ni-3) über der gesamten Struktur abzulagern.
LPCVD-Nitrid ist ein Hochtemperaturmaterial, welches mit bzw. auf
Aufspinnglas verwendet wird; wenn ein Polyimidharz dazu benutzt
wird, die Struktur planar zu machen, würde jedoch ein Niedigtemperaturnitrid
verwendet werden. Danach wird, wie im Schritt 5 dargestellt, ein
RIE-Prozeß ausgeführt, wie es
im Schritt 2 geschehen ist, um das Nitrid 244 von den horizontalen
Oberflächen
zu entfernen, während die
Seitenwände
durch die Abschnitte 245 und 246 bedeckt gelassen
bleiben. Die SOG-Schicht 243 wird dann gestrippt bzw. abgestreift,
wobei die Seitenwände
der Insel 236 mit Nitridabschnitten 241 und 242 (Ni-2)
vom Schritt 2 und die Abschnitte 245 und 246 (Ni-3)
vom Schritt 5 bedeckt gelassen werden. Die Nitridschichten 245 und 246 wirken
mit der Nitridschicht 238 zur Ausbildung einer kontinuierlichen Oxidationsmaske
quer über
die Oberseite der Insel zusammen.
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Wie
im Schritt 6 veranschaulicht ist, wird dann eine Vertiefungsätzung ausgeführt, um
die Insel sowohl am oberen als auch am unteren Ende der Seitenwandmaskenabschnitte 241 und 242 zu
hinterschneiden, so daß dadurch
die Ausnehmungen 247 und 248 auf entgegengesetzten
Seiten der Insel oberhalb der Abschnitte 241 und 242 erzeugt
werden und die Ausnehmungen 249 und 250 unterhalb
der Abschnitte 241 und 242 vorgesehen werden.
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Im
Schritt 7 wird die Struktur oxidiert, wobei die Oxidation 251 und 252 Teile
der Insel 236 in jeder der Ausnehmungen 247, 248 und 249, 250 in
der Art und Weise hinterschneidet, die mit Bezug auf 2, Schritt
6 beschrieben worden ist. Danach werden die dielektrischen Seitenwand-
und Oberseitenschichten 237, 238, 239, 241, 234, 245 und 246 entfernt,
während
die Isolationsoxide 251 und 252 zurückgelassen werden,
um die segmentierte bzw. aus Abschnitten bestehende dargestellte
Inselstruktur zu erzeugen. Die Oxidschichten können dann entfernt werden,
wobei die Insel 236, geteilt in zwei Teile, zurückbleibt, wie
bei 236' und 236'' im Schritt 8 gezeigt ist. Dieses führt zu einem
ersten Paar von selbstabgefluchteten gegenüberliegenden konischen oder
keilartigen Spitzen 252 zwischen den Inselabschnitten 236' und 236'', und einem zweiten Satz von gegenüberliegenden
konischen oder keilartigen Spitzen 254 zwischen dem Inselabschnitt. 236' und dem Substrat 235.
Es ist evident, daß das
gleiche generelle Verfahren wie jenes, das in 2 veranschaulicht
ist, dazu verwendet werden kann, Trägerstrukturen zum Halten von jedem
der Inseiabschnitte 236' und 236'' zu erzeugen, und daß zusätzliche
Sätze von
vertikal selbstabgefluchteten Spitzen unter Verwendung der Technik der 10 hergestellt
werden können.
Weiterhin kann eine nach aufwärts
gewandte Spitze 255, wie im Schritt 8A der 10 veranschaulicht
ist, durch eine Abwandlung des Verfahrens der 10 vorgesehen
werden. In dieser Alternative wird nach dem Schritt 7 der oberste
Inselabschnitt 236'' entfernt, wie durch
eine anisotrope Siliciumätzung,
während
die isolierenden Oxidschichten 251 und 252 noch
an Ort und Stelle sind. Danach streift eine isotrope Oxidätzung die
Oxidschichten 251 und 252 zum Freisetzen der Insel 236' ab, wie in 10,
Schritt 8A dargestellt ist.
-
Eine
zweite Prozedur zur Herstellung von nach aufwärts gewandten Spitzen ist in 11 veranschaulicht,
welche ähnlich
bzw. gleichartig dem Verfahren der 10 ist.
Schichten, die den Schritten der 10 und 11 gemeinsam
sind, sind gleichartig numeriert. Dieses zweite Verfahren des Herstellens
einer nach aufwärts
gewandten Spitze beinhaltet fünf
Schritte Schritt 1 ist gleichartig dem Schritt 1 der 10,
indem er eine Siliciuminsel 236 liefert, die aus einem
Substrat 235 gebildet ist, wobei die Insel ein geschichtetes
Dielektrikum auf ihrer Oberseitenoberfläche hat, das aus einer ersten Oxid-,
einer Nitrid-, einer zweiten Oxid- und einer zweiten Nitridschicht
besteht, die jeweils bei 237, 238, 239 und 240 dargestellt
sind. Die Nitridschicht 240 bedeckt die Seitenwand der
Insel 22, wie im Schritt 1 veranschaulicht ist Im Schritt
2 wird ein RIE-Schritt dazu benutzt, das meiste der Ni-2-Schicht 240 auf
der Oberseite der Insel und auf der Oberfläche des Siliciumsubstrats 235 zu
entfernen. Die Ni-2-Schicht wird überätzt, so daß der bei 241 und 242 in 2 dargestellte
Seitenwandteil bis zu einer Stelle gerade unterhalb der Ni-1-Schicht 238 erodiert
wird, wodurch der obere Teil der Oxidschicht 237 in einem
Spalt zwischen der Ni-1- und der Ni-2-Schicht 238 und 241, 242 freigelegt
wird.
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Im
Schritt 3 der 11 wird eine Vertiefungsätzung (wie
im Schritt 6 der 10) auf der Oberfläche des
Substrats 235 ausgeführt,
um eine Ausnehmung 256 herzustellen, die die Insel 236 hinterschneidet.
Während
dieses Vertiefungsätzschritts schützt die
Oxidschicht 239 die Oberseite der Siliciuminsel 236.
Danach werden, wie im Schritt 4 dargestellt ist, die Insel und die
Oberfläche
des Substrats 235 oxidiert, wobei bewirkt wird, daß die Ox-1-Schicht 237 in
der Art und Weise wächst,
wie bei 257 veranschaulicht ist. In entsprechender Weise findet
eine Oxidation in der Vertiefung 256 statt, um die Oxidschicht 258 auf
der Oberfläche
des Substrats 235 zu erzeugen und die Insel 236 zu
hinterschneiden, um die Insel von dem Substrat zu isolieren. Diese
Oxidation des Siliciums sowohl auf der Oberseitenoberfläche als
auch auf dem Boden der Insel 22 erzeugt die nach abwärts gewandten
gegenüberliegenden
Spitzen 254, wie vorher mit Bezug auf den Schritt 7 der 10 beschrieben
worden ist, jedoch bildet er zusätzlich
eine nach aufwärts
gewandte Spitze 259 aus, wie im Schritt 4 der 11 eranschaulicht
ist. Die Oxid- und die Maskierungsnitridschicht werden dann im Schritt
5 der 11 entfernt, wobei das Substrat 235 und
der freigelegte Inselteil 236' übrig bleiben, welche in der
Form eines Trägers mit
einem selbstabgefluchteten gegenüberliegenden Spitzenpaar 254 und
mit einer nach aufwärts
gewandten Spitze 259 sein können.
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Die 12 veranschaulicht
einen Herstellungsprozeß,
welcher die Merkmale der 10 und 11 vereinigt,
um mehrfache, vertikal übereinandergeschichtete,
selbstabgefluchtete Spitzen vorzusehen. Der Schritt 1 dieses Verfahrens
ist der gleiche wie der Schritt 5 des Verfahrens der 10,
und gleichartige Elemente sind gleichartig numeriert. Es sollte
bemerkt werden, daß die
im Schritt 1 dargestellte Struktur wie bei dem Verfahren der 10 eine
Mehrzahl von vertikal beabstandeten Öffnungen aufweisen kann, wie
die Öffnung 260 zwischen
der unteren Seitenwandnitridschicht 241, 242 und
der oberen Seitenwandnitridschicht 245, 246, um
zusätzliche
vertikal abgefluchtete Spitzenabschnitte in der Insel 236 vorzusehen.
Diese zusätzlichen Öffnungen können durch
Wiederholen der Schritte 3, 4 und 5 des Verfahrens der 10 ausgebildet
werden, um Seitenwandabschnitte bis zu der Höhe der Insel 236 aufzubauen.
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Es
sei auf den Schritt 2 der 12 Bezug genommen,
wonach, nachdem die obere Seitenwandbeschichtung 245, 246 vorgesehen
worden ist, diese zurückgeätzt wird,
um die obere dielektrische Übereinanderschichtung,
welche die Schichten 237, 238 und 239 aufweist,
in der Art und Weise freizulegen, die im Schritt 2 der 11 veranschaulicht
ist, wobei die Seitenwände
von wenigstens dem oberen Teil der Insel 236 und ein Teil
der Oxid-1-Schicht 237, der von Nitridschichten 245, 246 bedeckt
ist, zurückbleiben.
Danach wird der in dem Schritt 6 der 10 dargestellte Ätzschritt
ausgeführt,
der zu Ausnehmungen 247 und 248 (siehe den Schritt
3 der 12) in der Öffnung 260 und Ausnehmungen 249 und 250 unterhalb
der Schichten 241, 242 führt, so daß dadurch die Insel 236 an
zwei Orten hinterschnitten wird (und an zusätzlichen Orten, wenn die Seitenwandnitridschicht
weiter segmentiert bzw. in Abschnitte unterteilt ist bzw. wird,
wie oben erörtert).
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Die
Insel wird, wie im Schritt 4 der 12 veranschaulicht
ist, oxidiert, um dadurch die Abschnitte 236' und 236'' durch
Oxidschichten 262 und 264 zu isolieren. Der Oxidationsschritt
oxidiert außerdem
weiter die Schicht 237 (Oxid-1), wie bei 237' veranschaulicht
ist, und er oxidiert dadurch die Siliciuminsel an ihrer Grenzfläche mit
der Schicht 237. Diese Oxidation der oberen Oberfläche der
Insel 236 erzeugt eine nach aufwärts gerichtete Spitze 266 zur gleichen
Zeit, in welcher der Oxidationsprozeß die Insel an dem Ort der
Ausnehmungen 247, 248 und 249, 250 hinterschneidet,
um die Inselabschnitte 236' und 236'' in der mit Bezug auf 10 beschriebenen Art
und Weise zu isolieren. Das Oxid kann dann entfernt werden, um separate
Abschnitte 236' und 236'' zu erzeugen, wie im Schritt 4
der 12 gezeigt ist, so daß dadurch eine ungerade Anzahl
von vertikalen selbstabgefluchteten Spitzen hergestellt wird, welche als
ein Teil von entsprechenden freitragenden Trägern ausgebildet sein können, z.B.
in der vorher beschriebenen Art und Weise.
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Ein
anderes Verfahren zum Ausbilden von mehrfachen Spitzen, die in vertikaler
Fluchtung übereinandergeschichtet
sind, ist in 13 dargestellt, worauf nun Bezug
genommen wird. In diesem Verfahren werden zwei (oder mehr) unabhängige selektive
Oxidationsschritte in Verbindung mit zwei (oder mehr) Oxid/Nitrid/Oxid-Übereinanderschichtungen (ONO-Übereinanderschichtungen), die
durch Polysiliciumfilme getrennt sind, benutzt. Das Verfahren beginnt
damit, daß zwei
(z.B.) ONO-Übereinanderschichtungen
gewaschen gelassen und abgelagert werden, wie im Schritt 1 der 13 veranschaulicht ist.
Die erste ONO-Übereinanderschichtung 270 besteht
aus den Schichten OX-1, Ni-1 und OX-2 und ist ähnlich der dielektrischen Übereinanderschichtung, wie
sie in 12, Schritt 1 gezeigt ist. Ein
Polysiliciumfilm 272 wird auf der Oberseite der Übereinanderschichtung 270 ausgebildet,
und, wo zwei Paare von vertikal selbstabgefluchteten Spitzen ausgebildet werden
sollen, wird eine zweite ONO-Übereinanderschichtung 274 ausgebildet,
die aus den Schichten OX-3, Ni-4 und OX-4 besteht. Danch werden
die Seitenwände
der Insel mit einer Nitridschicht Ni-5 bedeckt, wie bei 276, 278 im
Schritt 2 der 13 gezeigt ist, die durch Ablagerung
einer Nitridschicht über
der gesamten Insel und dann Wegätzen
derselben von der horizontalen Oberfläche ausgebildet wird.
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Wie
im Schritt 3 der 13 veranschaulicht ist, wird
die mittels des Schritts 2 erzeugte Struktur in der Art und Weise,
welche mit Bezug auf den Schritt 6 der 10 beschrieben
worden ist, vertiefungsgeäzt,
um Ausnehmungen 280 und 282 zu erzeugen, welche
die Insel 236 hinterschneiden. Das freigelegte Silicium
wird oxidiert, wie bei 284 im Schritt 4 der 13 dargestellt
ist, um den Inselabschnitt 236' zu isolieren und das Spitzenpaar 285 auszubilden,
und dann werden die dielektrische ONO-Übereinanderschichtung 274,
die Seitenwandschichten 276, 278 und das Oxid 284 auf
der Oberfläche
des Substrats 235 entfernt, wozu eine Kombination von isotropen und
anisotropen Ätzschritten
benutzt wird. Dieser Ätzschritt
stoppt an dem Polysiliciumfilm 272, wie im Schritt 5 gezeigt
ist, sowie außerdem
an der Oberfläche
des Silicium substrats 235, so daß der obere Inselabschnitt 236', der Polysiliciumfilm 272 und
die von dem Oxid 284 getragene ONO-Übereinanderschichtung 270 zurückbleiben.
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Dann
wird ein zweites vertikal abgefluchtetes Spitzenpaar mittels eines
RIE-Einschnittätzverfahrens,
das ähnlich
jenem im Schritt 2 der 2 ist, ausgebildet, um die Höhe der Insel 236 durch
Ausbildung eines unteren Inselteils 290 in dem Substrat 235 zu
erstrecken, wie im Schritt 6 der 13 dargestellt
ist. Dieses verbraucht die Polysiliciumschicht 272, aber
die ONO-Übereinanderschichtung 270 bleibt
als eine selbstabgefluchtete Maske für die RIE-Ätzung.
Dieses wird im Schritt 7 durch die Bildung von Seitenwandnitridabstandhalterschichten 292, 294 in
der mit Bezug auf den Schritt 2 beschriebenen Art und Weise gefolgt,
worauf wiederum eine Vertiefungsätzung
zum Ausbilden der Ausnehmungen 296, 298 folgt.
Das freigelegte Silicium wird, wie im Schritt 8 dargestellt, oxidiert,
um die Oxidschicht 300 auf der Oberfläche des Substrats 235 und
in den Ausnehmungen 296, 298 zu erzeugen, um den
Inselteil 290 zu hinterschneiden, so daß dadurch ein Inselabschnitt 290' isoliert wird.
Gleichzeitig wird ein zweites Paar von gegenüberliegenden Spitzen, wie bei 302,
zwischen dem Inselabschnitt 290' und dem Substrat 235 ausgebildet.
Die Seitenwandabstandhalter 292, 294, die ONO-Schicht 270 und
das Oxid 284 und 300 können dann entfernt werden,
um die Inselabschnitte 236' und 290 freizumachen,
wie im Schritt 9 der 13 veranschaulicht ist.
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Wie
durch die Schritte der 13 veranschaulicht ist, können zwei
Sätze von
gegenüberliegenden
Spitzen durch die Verwendung von zwei ONO-Übereinanderschichtungen, die
auf der Insel 236 ausgebildet werden, vorgesehen werden.
Zusätzliche
Paare von Spitzen können
durch Hinzufügen
von zusätzlichen
ONO-Übereinanderschichtungen
und Wiederholen des oben beschriebenen Verfahrens des Erhöhens der
Inselhöhe
(wie durch den beschriebenen Einschnittätzprozeß), Hinzufügen von Seitenwandabstandhalterschichten,
Vertiefungsätzung,
etc. hergestellt werden.
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Durch
Kombinieren des Verfahrens der 13 mit
jenem der 11 kann eine ungerade Anzahl
von Spitzen erzeugt werden, wobei die ungeradzahlige Spitze nach
aufwärts
vorsteht. Dieses kombinierte Verfahren ist das gleiche wie jenes
der 13, jedoch mit der Ausnahme, daß die Schritte
7, 8 und 9 abgewandelt sind. Die aufwärtige Spitze wird durch Erosion
der Seitenwandnitridschicht 292, 294 der 13,
um die OX-1-Schicht der ONO-Übereinanderschichtung 270 freizulegen,
ausgebildet. Dieses liefert Öffnungen,
durch welche die Oberseite des Abschnitts 236' oxidiert werden
kann, um eine nach aufwärts
gewandte Spitze während
der Oxidation im Schritt 8 auszubilden, welche das unterste Spitzenpaar 302 bildet.
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In
jedem der vorstehenden Herstellungsverfahren ist zu bemerken, daß eine nach
aufwärts
vorstehende Spitze von irgendeinem bzw. jedem Verfahren erzeugt
werden kann, das ein Spitzenpaar erzeugt, und zwar durch selektive
Entfernung einer entsprechenden, nach abwärts gewandten Spitze oder durch
selektives Freilegen der Oberseite einer Insel zu einem Oxidationsprozeß. Solche
nach aufwärts gewandten
Spitzen können
für eine
Vielfalt von Zwecken, einschließlich
der Herstellung von Feldemittern, verwendet werden. Es sei außerdem bemerkt, daß die Erosion
des Seitenwandnitrids für
die Herstellung von nach aufwärts
gewandten Spitzen in den Verfahren der 11 und 12 (Schritt
2) und 13A (Schritt 7) eine sorgfältige zeitliche
Steuerung der Erosion erfordert, um sicherzustellen, daß die korrekte
Menge an darunterliegendem Material freigelegt wird.
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Die
oben beschriebenen Techniken gestatten die Bildung von lateralen
und vertikalen selbstabgefluchteten konischen und keilartigen Spitzen,
sie gestatten die Bildung von vertikal übereinandergeschichteten selbstabgefluchteten
Spitzen, die auf Trägern
oder anderen Strukturen gehalten sind, sie gestatten die Bildung
von mehrfachen Spitzenpaaren, die längs Trägern und an den Schnittstellen
der Träger
im Abstand angeordnet sind, und sie gestatten die Bildung von nach
aufwärts
gewandten Spitzen, die sich auf den Oberseiten der Träger befinden. Eine
solche Vielfalt von Strukturen ermöglicht einen weiten Bereich
an Verwendungen für
die bewegbaren Spitzenpaare.
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Obwohl
die Verwendung eines X-förmigen Spitzenhalters
an der Schnittstelle von linearen Trägern, die gemäß den 1 und 3 aufgebaut sind,
zufriedenstellend gearbeitet hat, ist ersichtlich, daß eine Lateralbewegung
von jedem Träger
durch die Beabstandung zwischen den Platten der Kondensatoren, welche
die Wandler 120, 122, 124 und 126 bilden,
eingeengt wird. Demgemäß wird z.B.,
wenn der Träger 62 durch
selektive Erregung der Wandler 120 und 122 in
einer Längsrichtung
bewegt wird, der Träger 64 einer
Lateralbewegung längs
der gleichen Achse aufgrund der Verbindung der Träger miteinander
bei 66 unterworfen. Diese Lateralbewegung wird durch die
Beabstandung zwischen benachbarten ineinandergreifenden bzw. doppelkammartigen
Platten in den kapazitiven Wandlern 124 und 126 beschränkt.
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Die
vorstehende Beschränkung
kann durch das Vorsehen von versetzten Halteträgern überwunden werden, die so geformt
sind, daß die
Bewegung der Schnittstelle der Träger in der (X-Y)-Ebene der Träger durch
Biegemomente in beiden Trägern
eher als eine Längsbewegung
in einem und eine Lateralbewegung in dem anderen, erzeugt wird.
Diese Konstruktion vermeidet die Notwendigkeit von ineinandergreifenden
bzw. doppelkammartigen Kondensatorplatten, wobei sie eine freiere
Bewegung der Schnittstelle ermöglicht,
welche die Spitze in der X-Y-Ebene hält. Diese alternative Bauweise
ist in 14 veranschaulicht, auf die
nun Bezug genommen wird.
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In
der Konstruktion der 14 inkorporiert eine bewegbare
Spitzenstruktur, die allgemein bei 360 gezeigt ist, ein
Paar von gekreuzten, versetzten Trägern 362 und 364,
die in einer Ausnehmung 366 angebracht sind, welche in
einem Substrat 368 ausgebildet ist. Die Träger 362 und 364 sind
in der Art und Weise der in den 3 und 4 veranschaulichten
linearen Träger 62 und 64 ausgebildet
und erstrecken sich demgemäß generell
quer- über
die Ausnehmung 366, sowie parellel zu und beabstandet von
dem Ausnehmungsboden 370. Die Träger 362 und 364 kreuzen
einander und sind an der Schnittstelle 372 verbunden, so
daß sie
einen X-förmigen Halter-
für eine
obere Spitze (nicht gezeigt) eines selbstabgefluchteten Spitzenpaars,
wie die konischen Spitzen 22 und 12, die in den 3 und 4 veranschaulicht
sind, bilden. Die versetz ten Träger liegen
in einer horizontalen X-Y-Ebene und sind so geformt, daß die auf
dem X-förmigen Halter 372 angebrachte
obere Spitze in jeder Richtung in der X-Y-Ebene der Träger bewegt
werden kann, und ebensogut in der Z-Richtung bewegt werden kann. Diese
dreidimensionale Bewegung kann entweder durch Wandler erzeugt werden,
wie kapazitive Platten, welche auf den bewegbaren Trägern und
auf benachbarten Wänden
der Ausnehmung 366 angebracht sind, oder durch externe
bzw. von außen
auf das Substrat angewandte mechanische Kräfte, in welchem Fall die Wandler
dazu benutzt werden können,
die Relativbewegung dieser Träger
zu überwachen,
wie oben z.B. mit Bezug auf die Ausführungsformen der 3 und 4 erörtert worden
ist.
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In
der bewegbaren Spitzenstruktur 360 der 14 unterscheiden
sich die Träger 362 und 364 von
den Trägern
der 3 und 4 darin, daß sie keine axialen Federn
aufweisen Stattdessen weisen die Träger versetzte, generell J-förmige Abschnitte auf,
die als laterale Federn wirken, um Vorteil aus den lateralen Biegemomenten
zum Ermöglichen
einer Bewegung in der X-Y-Ebene zu ziehen. Demgemäß ist der
Träger 362 an
seinem, bezogen auf die Ansicht der 14, linken
Ende 374 mit der vertikalen Wand 376 verbunden,
welche den Umfang der Ausnehmung 366 bildet. Der Endabschnitt 374 ist
parallel zu einer X-Achse der Spitzenstruktur 360, und
er ist durch einen sich seitlich erstreckenden Abschnitt 378 mit
einem zweiten axialen Abschnitt 380 verbunden. Der Abschnitt 380 ist
mit einem zweiten seitlichen Abschnitt 382 verbunden. Die
Abschnitte 378 und 380 erstrecken sich in entgegengesetzten
Richtungen, wobei der Abschnitt 378 von der Schnittstelle 372 weg
nach der Umfangswand 376 zu führt, und der Abschnitt 382 nach
der Schnittstelle 372 zu führt, so daß dadurch ein generell J-förmiger Trägerabschnitt gebildet
ist. Der Abschnitt 382 ist (bezogen auf die Ansicht der 14)
mit dem linken Ende eines sich axial erstreckenden Spitzenhalteabschnitts 384 verbunden,
welcher einen Teil des X-förmigen
Spitzenhalters 372 bildet. Der Rest des Trägers ist ähnlich bzw.
gleichartig dem vorstehenden und umfaßt einen axialen Abschnitt 386,
der auf der Wand 376 an dem Ende des Trägers 362 entgegengesetzt
bzw. gegenüber
dem Endabschnitt 374 angebracht ist. Der Träger umfaßt weiter
einen lateralen Abschnitt 388, einen axialen Abschnitt 390 und
einen lateralen Abschnitt 392, der mit dem rechten Ende
des Spitzenhalteabschnitts 384 verbunden ist. Demgemäß erstreckt
sich der Träger 362 generell
parallel zu der X-Achse der Spitzenhaltestruktur 360, er
weist jedoch zwei J-förmige
versetzte Abschnitte zum Vorsehen einer versetzten Trägerstruktur
auf Diese versetzte Struktur sieht Flexibilität in der X-Achsenrichtung der
Bewegung der Spitze an der Schnittstelle 372 primär durch
eine Biegebewegung der sich lateral erstreckenden Abschnitte 373, 382, 388 und 392 vor.
Die Y-Achsen-Flexbilität
wird durch Biegebewegung in den sich axial erstreckenden Abschnitten 374, 380, 386 und 390 vorgesehen.
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Die
Steuerung bzw. Regelung der Bewegung des Trägers 362 wie auch
die Detektion der Bewegung wird durch vier Wandler 400, 401, 402 und 403 vorgesehen,
wobei die Wandler 400 und 402 auf den sich axial
erstreckenden Abschnitten 380 bzw. 390 des Trägers 362 lokalisiert
sind und die Wandler 401 und 403 auf den sich
lateral erstreckenden Abschnitten 382 bzw. 392 lokalisiert
sind. Die Erregung der Wandler 401 und 403 hat
das Bestreben, die Schnittstelle des Spitzenhalters 372 längs der
X-Achse der Einrichtung zu bewegen, während die Erregung der Wandler 400 und 402 das
Bestreben hat, den Spitzenhalter 372 längs der Y-Achse zu bewegen.
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In
entsprechender Art und Weise ist die Y-Achsenbewegung des Spitzenhalters 372 durch den
Y-Achsenträger 364 vorgesehen,
der an seinen entgegengesetzten Enden mit der Wand 376 auf
entgegengesetzten Seiten der Ausnehmung 366 verbunden ist.
Der Träger 364 weist
(bezogen auf 14) an seinem oberen Ende einen
axialen Abschnitt 410, einen lateralen Abschnitt 412,
einen axialen Abschnitt 414 und einen lateralen Abschnitt 416 auf,
die so verbundens sind, daß sie
einen ersten J-förmigen
Abschnitt bilden. Dieser Abschnitt ist mit dem oberen Ende eines
Spitzenhalteabschnitts 418 verbunden, der den Y-Achsenteil
des Spitzenhalters 372 bildet. Das entgegengesetzte Ende
des Trägers 364 weist
entsprechend einen axialen Abschnitt 420, einen lateralen
Abschnitt 422, einen axialen Abschnitt 424 und
einen lateralen Abschnitt 426 auf, die einen zweiten J-förmigen Abschnitt
des Trägers 364 bilden
und mit dem unteren Ende des Spitzenhalteabschnitts 418 verbunden
sind. Der Träger 364 hat demgemäß die gleiche
versetzte Struktur wie der X-Achsenträger 362.
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Der
Träger 364 weist
vier Wandler 430, 431, 432 und 433 auf,
die längs
des Trägers
so verbunden sind, daß sie
sowohl eine Y-Achsen- wie auch eine X-Achsenbewegung des Trägers vorsehen.
Die Wandler 431 und 433 sind mit den Abschnitten 416 und 426 verbunden,
um den Y-Abschnitt 418 axial längs der Y-Achse zu bewegen,
während
die Wandler 430 und 432 mit den Abschnitten 414 und 424 verbunden
sind, um den Träger 364 und
demgemäß den Spitzenhalteabschnitt 372 lateral,
längs der
X-Achse zu bewegen.
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Vorzugsweise
sind die Wandler 400 bis 403 und 430 bis 433 Kondensatoren,
wobei jeder eine Platte hat, die auf seinem entsprechenden Trägerabschnitt
zur Bewegung mit dem Träger
angebracht ist, während
seine entgegengesetzte Platte auf einem benachbarten Wandteil der
Ausnehmung 366 angebracht ist. Die an der Wand angebrachten
Platten sind stationär
und jede ist elektrisch mit einer geeigneten Steuer- bzw. Regelschaltung
(nicht gezeigt) verbunden, wie mittels elektrischer Leitungen, wie
es die Leitungen 440 bis 443 sind, die jeweils
mit den Wandlern 400 bis 403 verbunden sind, und
die Leitungen 444 bis 447, die jeweils mit den
Wandlern 430 bis 433 verbunden sind.
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Durch
Anlegen von geeigneten Spannungen an ausgewählte Platten der Kondensatoren
kann die Bewegung des Spitzenhalters 372 präzise in
der X-Y-Ebene gesteuert bzw. geregelt werden. Umgekehrt kann eine
Relativbewegung des Spitzenhalters mit Bezug auf das Substrat, die
z.B. durch eine auf das Substrat angewandte äußere Kraft bewirkt wird, durch
die Wandler genau detektiert werden.
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Die
Träger 362 und 364 sind
an entgegengesetzten Enden mit entsprechenden elektrischen Leitern
verbunden, wie den Leitern 450 und 451 für den Träger 362 und
den Leitern 452 und 453 für den Träger 364, um es zu
ermöglichen,
daß der
Träger
mit einer geeigneten Steuer- bzw.
Regelschaltung (nicht gezeigt) verbunden wird. Diese Leiter sind
auf der oberen Oberfläche
des Substrats 368 in der Art und Weise ausgebildet, wie
sie für
die Leiter 132, 134 in der Einrichtung der 4 beschrieben
worden ist. Darüberhinaus
kann eine Steuer- bzw. Regelschaltung auch integral mit dem Substrat
oder der Wafer 368 unter Verwendung von konventioneller
Technologie integrierter Schaltungen ausgebildet sein.
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Obwohl
das in 14 nicht dargestellt ist, versteht
es sich, daß die
Träger 362 und 364 vorzugsweise
integral mit der Wand 376 des Substrats 368 verbunden
sind und durch eine Oxidschicht gehalten sein können, wie es die in den 3 und 4 dargestellte
Schicht 54 ist. Alternativ können die Träger auf Sockeln, wie der Oxidbasis 54,
gehalten sein, ohne mit der Seitenwand der Ausnehmung verbunden
zu sein. Weiterhin können
die Träger
dadurch von dem umgebenden Substrat isoliert sein, daß ein Oxidabschnitt
an jedem Ende des Trägers oder
an zwischenliegenden ausgewählten
Orten auf dem Träger
in der Art und Weise vorgesehen wird, die oben mit Bezug auf die
Oxidabschnitte 110 in der Einrichtung der 3 und 4 beschrieben
worden ist, wobei Elektroden vorgesehen sind, wo sie benötigt werden,
um gewünschte
elektrische Verbindungen quer über
die isolierenden Abschnitte zu erzeugen.
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Wie
oben bemerkt, weist der Träger 362 den X-Achsenteil 384 des
Spitzenhalters 372 auf, und demgemäß kann er, obwohl der Träger versetzte
Teile hat, als der X-Achsenträger
bezeichnet werden. In ähnlicher
Art und Weise weist der Träger 364,
obwohl er versetzte Teile hat, den Y-Achsenteil 418 des
Spitzenhalters 372 auf und kann als der Y-Achsenträger bezeichnet
werden. Die Wandler 401 und 403 haben, wenn sie
erregt werden, das Bestreben, den Trägerabschnitt 384 in
der X-Achsenrichtung zu bewegen, wobei diese Bewegung durch den
generell J-förmigen
Abschnitt aufgenommen wird, der von den Abschnitten 378, 380 und 382 gebildet
ist, und durch den generell J-förmigen
Abschnitt, der durch die Abschnitte 388, 390 und 392 ausgebildet
ist, die sich auf entgegengesetzten Seiten des Spitzenhalters befinden.
Diese Abschnitte haken das Bestreben, die Spitze in einem Zentrumsort
zu halten, aber die Beuge- oder Biegebewegung dieser beiden J-förmigen Abschnitte
des Trägers 362 ermöglicht es,
daß der
Spitzenhalter 372 längs
der X-Achse der Einrichtung bewegt wird. Die Lateralbewegung des
Abschnitts 384 kann teilweise durch die Wandler 400 und 402 gesteuert
bzw. geregelt werden, welche eine Beuge- bzw. Biegebewegung in den
Trägerabschnitten
bewirken.
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In ähnlicher
Art und Weise kann die Axialbewegung des Trägerabschnitts 418 längs der
Y-Achse der Einrichtung mittels der Wandler 431 und 433 bewerkstelligt
werden, welche Beuge- oder Biegebewegungen in den entsprechenden
J-förmigen
Abschnitten bewirken, die für
den Wandler 431 aus den Abschnitten 412, 414 und 416 bestehen,
und für
den Wandler 433 aus den Abschnitten 422, 424 und 426. Die
Lateralbewegung des Abschnitts 418 wird mittels der Wandler 430 und 432 gesteuert
bzw. geregelt.
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Alle
diese Wandler arbeiten zusammen, um eine sehr präzise Steuerung bzw. Regelung
des Orts der von dem Spitzenhalteteil 372 getragenen Spitze vorzusehen,
wobei der Grad der Bewegung der Spitze nur durch die Spalte in den
kapazitiven Platten der mehreren Wandler be schränkt ist. Es sei bemerkt, daß die sich
bewegenden Teile der kapazitiven Platten, die die mehreren Wandler
bilden, vorzugsweise aus leitfähigen
Abschnitten der Träger 362 und 364 oder
von den Trägern
getragenen Beschichtungen bestehen. Diese Abschnitte können durch
nichtleitende Oxidabschnitte der Träger isoliert sein, wobei Elektroden
zum Verbinden der bewegbaren kapazitiven Plattenabschnitte mit einer
geeigneten elektronischen Schaltung auf den Trägern vorgesehen sind. Vorzugsweise
sind jedoch die Platten, welche aus den Trägern 362 und 364bestehen,
auf dem gleichen Potential, wobei Steuer- bzw. Regelspannungen an die
stationären
Platten durch ihre entsprechenden Verbindungen angelegt werden.
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In
einem Beispiel der Erfindung sind die mit dem Wandteil des Substrats
verbundenen stationären
Platten für
jeden der Wandler relativ lang mit Bezug auf die leitfähigen Teile
der bewegbaren Träger gemacht,
welche die gegenüberliegenden
kapazitiven Platten für
die entsprechenden Wandler bilden. Demgemäß bleibt die bewegbare Platte,
wenn die Träger
entweder mechanisch oder durch das Anlegen von Potentialen an ausgewählte Kondensatoren bewegt
werden, immer innerhalb der Grenze der stationären Platte, so daß ein voller
Bereich der Bewegung oder Detektion der Bewegung vorgesehen wird.
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Ein
Vorteil der ineinandergreifenden bzw. doppelkammartigen fingerartigen
Wandlerstruktur der Einrichtung der 3 und 4 besteht
darin, daß die
elektrostatische Kraft, die durch eine solche Struktur vorgesehen
wird, überall
in dem Bewegungsbereich der Einrichtung konstant bleibt. Bei den
parallelen Platten der in 14 veranschaulichten
Wandler variiert jedoch die Kraft, welche durch die erregten Kondensatoren
angewandt wird, mit der Bewegung des Trägers. Da die Kraft umgekehrt
proportional dem Quadrat des Spalts zwischen den Platten ist, nimmt
sie zu, wenn der Spalt kleiner wird. Dieses ist für die in 14 dargestellte
Konstruktion vorteilhaft, da die sich ändernde Kraft, die durch den Kondensator
ausgeübt
wird, den sich ändernden
Widerstand gegen die Bewegung der J-förmigen Trägerabschnitte anpasst, welche
die Federwirkung für den
Träger
vorsehen. Je mehr die Federn aus ihrer normalen Form herausbewegt
werden, umso größer ist
die Kraft, die zum Bewegen des Trägers erforderlich ist Jedoch
wird dieses Erfordernis durch die zunehmende Kraft angepaßt, die
durch die Kondensatoren vorgesehen wird, so daß die Struktur der 14 vorteilhaft
ist.
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Obwohl
die in den vorstehenden Beispielen veranschaulichten Strukturen
entweder einen einzelnen Träger
oder ein Paar Träger
benutzen, um eine Relativbewegung zwischen benachbarten Spitzenpaaren
bzw. zwischen zwei benachbarten Spitzen vorzusehen, sind auch andere
Strukturen unter Benutzung der Techniken der Erfindung möglich. Z.B. können mehrfache
Träger
vorgesehen sein, um mehrfache Spitzenpaare in der Art und Weise
zu halten bzw. zu tragen, die in 15 durch
die generell mit 460 bezeichnete Trägerstruktur veranschaulicht ist.
In diesem Beispiel kann ein X-Achsenträger 462 irgendeine
gewünschte
Länge haben,
und er schneidet eine Mehrzahl von Y-Achsenträgern, wie die Träger 464, 466, 468 und 470.
Die X- und Y-Achsenträger
sind an ihren jeweiligen Zwischenabschnitten bzw. Schnittstellen 472 bzw. 474 bzw. 476 bzw. 478 miteinander
verbunden, und ein Paar von vertikalen, ge genüberliegenden, selbstabgefluchteten
konischen oder keilförmigen
Spitzen kann an jedem dieser Zwischenabschnitte bzw. an jeder dieser
Schnittstellen, z.B. unter Benutzung des Herstellungsverfahrens
ausgebildet sein, das oben mit Bezug auf die 2 beschrieben
ist.
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Obwohl
die Beschreibung auf die Bildung von Siliciumträgern mit Siliciumoxid, das
elektrisch isolierende Teile nahe den Enden der Träger vorsieht,
gerichtet worden ist, veranschaulicht 15, daß solche
Oxidteile an jedem gewünschten
Ort längs
des Trägers
ausgebildet werden können.
Demgemäß weist
z.B. der Träger
einen Siliciumoxidabschnitt 480 am rechten Ende des Trägers 462 auf,
wo der Träger
mit der Wand der Ausnehmung verbunden ist, in weicher er ausgebildet
ist, oder wo der auf einer Oxidbasis (nicht gezeigt) angebracht
ist, oder beides. Eine elektrisch leitfähige Elektrode 482 ist
so gezeigt, daß sie über dem
Oxidabschnitt 480 ausgebildet ist und sich auf einen isolierenden
Oxidteil 484 auf dem umgebenden Substrat erstreckt, wie bei 486 dargestellt
ist, und zwar in der Art und Weise, die oben mit Bezug auf die 3 und 4 beschrieben
worden ist.
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Der
Träger 462 enthält einen
ersten Federteil 488, der ähnlich den in 3 veranschaulichten
Federn ist, und er kann außerdem
zusätzliche
Federabschnitte, wie jene, die bei 490 und 492 dargestellt sind,
an unterschiedlichen Orten entlang der Länge des Trägers aufweisen. Diese zusätzlichen
Federn können
vorgesehen sein, um z.B. eine gewünschte Freiheit der Axialbewegung
in dem Träger
zu erzeugen, und sie sind hier als aus unterschiedlichen Materialien
bestehend veranschaulicht, um die Vielseitigkeit des Verfahrens
der vorliegenden Erfindung zu demonstrieren. Demgemäß kann z.B.
die Feder 490 während
des gleichen Verfahrens, mit welchem der Rest des Trägers ausgebildet
wird, aus Siliciumoxid ausgebildet werden. Der Federabschnitt 492 kann z.B.
aus Siliciumnitrid ausgebildet werden, um in dem Träger 462 gewünschte mechanische
und elektrische Eigenschaften vorzusehen. Siliciumoxid (SiO2) kann auch dazu benutzt werden, elektrisch
isolierende Abschnitte des Trägers,
wie den Abschnitt 494, auszubilden, und Siliciumnitrid
(Si3N4) kann entsprechend
dazu benutzt werden, solche Abschnitte wie den Abschnitt 496 des
Trägers
auszubilden. Das Verfahren zum Ausbilden der verschiedenen Oxid-
und Nitridabschnitte des Trägers 462 ist
in tabellarischer Form in 16 veranschaulicht,
worauf nun Bezug genommen wird. Das Verfahren der 16 umfaßt 12 Schritte,
die sieben Masken beinhalten, welche die verschiedenen Strukturen
erzeugen, die in den sechs Querschnittsbereichen dargestellt sind,
welche in 15 bis 1-1', 2-2', 3-3', 4-4', 5-5' und 6-6' veranschaulicht
sind. Die Schritte 1 bis 4 des Verfahrens zum Herstellen der Einrichtung
der 15 sind im 2 dargestellt
und sind identisch mit den Schritten 1 bis 4 jener Figur für alle sechs
Querschnittsbereiche. Demgemäß wird während der
ersten vier Schritte eine Siliciumwafer mit einer dielektrischen
Schicht 40 beschichtet, die Siliciumnitrid umfaßt bzw.
enthält,
welche dann mittels der Maske 1 gemustert wird, um eine Maskierungsschicht 42 vorzusehen.
Im Schritt 2 wird das Maskenmuster mittels reaktiver Ionenätztung der
dielektrischen Schicht 40 auf das darunterliegende Silicium 18 übertragen,
so daß die
Insel (oder die Tafel bzw. die Mesa) 45 gebildet wird.
Im Schritt 3 wird die Siliciumwafer mit einer zweiten dielektrischen
Schicht beschichtet, die Si liciumnitrid umfaßt bzw. enthält, welche
anisotrop zurückgeätzt wird,
so daß nur
die Seitenwand 48 und die obere dielektrische Schicht 40 intakt
bleiben. Im Schritt 4 wird ein isotropes Vertiefungsätzen ausgeführt, um
das freiliegende Silicium zum Erzeugen von Ausnehmungen 50 um
die Insel herum zurückzuätzen, so
daß die
Insel 45 mit ihren von der Siliciumnitridschicht 48 bedeckten
Seitenwänden
und ihrer von der dielektrischen Schicht 40 bedeckten oberen Oberfläche zurückbleibt.
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Es
sei nun zu 16 übergegangen, worin Elemente,
die mit 2 gemeinsam sind, gleichartig numerisiert
sind; im Schritt 5 werden ausgewählte Teile
der dielektrischen Schicht 40 unter Verwendung der Maske
Nr. 2 abgestreift, wodurch die Insel 45 in den Querschnittsbereichen
1-1', 2-2', 3-3' und 5-5' intakt bleibt, jedoch
die Oxid- und Nitridschicht von der Insel 45 in den Querschnittsbereichen
4-4' und 6-6' entfernt wird. Diese
letzteren beiden Bereiche werden abgestreift, um für eine elektrische
Isolation von benachbarten Teilen des Trägers 462 zu sorgen.
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Im
Schritt 6 der 16 wird die obere Oberfläche 46 der
Wafer 18 oxidiert, um die mit Bezug auf 2 beschriebene
Oxidschicht 54 zu erzeugen. Diese Oxidschicht erstreckt
sich in die Ausnehmung 50 und demgemäß seitlich unter die Insel 45 in
jedem der Querschnitte der 16, so
daß sie
die Siliciuminsel 45 von dem Substrat 18 isoliert.
Gleichzeitig wird die Insel 45 in den Querschnitten 4-4' und 6-6', wo sie ungeschützt war,
völlig
oxidiert.
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Gemäß dem Verfahren
der 16 wird im Schritt 6a eine Siliciumnitridschicht über der
gesamten Oberfläche
abgelagert, und sie wird dann isotrop zurückgeätzt, wobei nur der Seitenwandteil
intakt bleibt, wie im Querschnitt 4-4' und im Querschnitt 6-6' dargestellt ist.
Dieses sieht eine Seitenwandschicht 500 in diesen Querschnitten
vor, die ähnlich
bzw. gleichartig der Schicht 48 in den anderen Querschnitten
ist. Im Schritt 7 werden durch die Verwendung der Maske Nr. 3 ausgewählte Teile
der dielektrischen Schicht 40 aus Gründen des elektrischen Kontakts abgestreift,
wie im Querschnitt 3-3' veranschaulicht ist,
wobei die obere Oberfläche 502 der
Siliciuminsel 45 freigelegt zurückgelassen wird.
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Eine
leitfähige
Materialschicht wird dann durch die Maske Nr. 4 (Schritt 8) zum
Erzeugen der elektrischen Kontakte 482, die in 15 dargestellt sind, in den Bereichen
der Querschnitte 3-3' und
4-4' abgelagert.
Es sei bemerkt, daß der
elektrische Kontakt auf der oberen Oberfläche 502 im Querschnitt 3-3' ausgebildet wird,
so daß er
elektrisch mit dem Siliciummaterial der Insel 45 verbunden
ist, während der
Kontakt im Querschnitt 4-4' auf
der oberen Oberfläche
des oxidierten Abschnitts der Insel 45 liegt. Dieses ermöglicht es,
elektrische Verbindungen mit Abschnitten der Trägerstruktur herzustellen, die
elektrisch isoliert sind.
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Im
Schritt 9 werden ausgewählte
Teile der Feldoxidschicht 54 isotrop weggeätzt, um
die Insel 45 unter der Kontrolle der Maske Nr. 5 freizusetzen. Demgemäß wird das
Oxid in den Bereichen 501, 506, 508 und 510 weggeätzt, um
die Insel 45 von dem Substrat 18 in den Querschnitten
1-1', 2-2', 5-5' und 6-6' freizusetzen, so
daß dadurch
der Träger 462 gebildet
wird. Es sei bemerkt., daß das
freigelegte Oxid der Insel 45 im Querschnitt 6-6' auch während des Entfernens
von Teilen der Schicht 54 weggeätzt wird, so daß nur die
Nitridseitenwände 500 an
jenem Ort übrigbleiben.
Diese Seitenwände
sind genügend
dick und flexibel, um den Träger 462 zu
halten. Die Maske Nr. 5 läßt die dielektrische
Schicht 40 in den Querschnitten 1-1', 2-2' und 5-5' intakt, während die Elektrode 482 das
Oxid in den Querschnitten 3-3' und
4-4' schützt.
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Im
Schritt 10 der 16 werden dielektrische Schichten,
die Siliciumnitrid umfassen bzw. enthalten, abgelagert, und sie
werden dann durch die Verwendung der Maske Nr. 6 zurückgeätzt, so
daß eine
maskierende Nitridschicht 512 auf der Oberfläche des
Substrats 18 in den Querschnittsbereichen 1-1', 2-2' und 6-6' übrigbleibt, wobei eine Nitridschicht 514 auf
den nach abwärts
gerichteten Oberflächen der
Siliciuminsel 45 (nun Träger 462) in den Querschnitten
1-1' und 2-2' übriggelassen wird, sowie eine dielektrische
Nitridschicht 516 über
dem elektrischen Kontakt 482 in den Bereichen der Querschnitte
3-3' und 4-4' übriggelassen wird. Die Insel 45 wird
durch die Maske 6 im Querschnitt 5-5' ungeschützt gelassen, so daß das Ätzen der
während
des Schritts 10 hinzugefügten
Schicht auch die dielektrische Schicht 40 und die Nitridseitenwand 48 von
der Insel im Querschnitt 5-5' entfernt.
Dieses läßt das Siliciummaterial
der Insel 45 im Querschnitt 5-5' für
eine spätere thermische
Oxidation freiliegend.
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Im
Schritt 11 der 16 wird eine selektive thermische
Oxidation des Siliciums auf den ungeschützten Abschnitten der Insel 45,
wie im Querschnitt 5-5',
ausgeführt,
um das freigelegte Silicium in Siliciumoxid umzuwandeln, wie bei 518 gezeigt
ist. Gleichzeitig wird die freigelegte obere Oberfläche des
Substrats 18 auch an dem gleichen Ort oxidiert, wie bei 520 gezeigt
ist.
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Schließlich werden
im Schritt 12 ausgewählte
Teile der dielektrischen Schichten 512, 514 und 516 des
Schritts 10 durch die Verwendung der Maske Nr. 7 entfernt,
so daß dadurch
die Trägerstruktur 462 vollendet
wird, die in 15 dargestellt ist, worin
sich die verschiedenen Inselquerschnitte 45 zur Ausbildung
der Trägerstruktur
vereinigen. Es ist zu bemerken, daß im Querschnitt 5-5' der Träger Siliciumoxid ist,
und im Querschnitt 6-6' ist
der Träger
Siliciumnitrid in der Form der Seitenwände 500.
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Wie
vorher beschrieben, sind die verschiedenen Trägerstrukturen, wenn sie mechanisch
von dem Substrat isoliert sind, frei, sich nicht nur horizontal
in einer X-Y-Ebene, sondern auch vertikal in der Z-Richtung zu bewegen.
Die Vertikalbewegung kann durch geeignete Kapazitäten zwischen
dem Träger und
einer darüberliegenden
oder einer darunterliegenden Struktur gesteuert bzw. geregelt oder
abgefühlt
werden. Eine solche Steuer- bzw. Regeleinrichtung/ein solcher Sensor
ist in 17 veranschaulicht, worin ein
Teil einer Struktur, wie z.B. der Träger 462, bei 530 im
Querschnitt veranschaulicht ist. In diesem Querschnitt ist der Träger Silicium
und mittels einer Schicht 532 aus einem dielektrischen
Isolationsmaterial bedeckt. Diese Schicht kann z.B. aus einer oberen
Schicht 40 und einer Seitenwandschicht 48 aus
dielektrischem Material bestehen, derart wie jene, die im Querschnitt
2-2' in 16,
Schritt 12 dargestellt ist. Ein Beispiel einer Struktur zum Erzeugen oder
zum Abfühlen
einer Vertikal- oder Z-Achsenbewegung an diesem Ort sind elektrisch
leitfähige Schichten 534 und 535,
die, wie mittels Verdampfung, auf der oberen Oberfläche des
Siliciumsubstrats 18 und auf den Oberflächen des Trägers im Abschnitt 530 abgelagert
sind, wobei sie die dielektrische Schicht 532 bedecken.
Danach wird eine dicke Schicht 536 aus Siliciumoxid über dem
Träger
und auf dem Substrat 18 in dem Bereich des Abschnitts 530 abgelagert,
und dann wird eine zweite Schicht 538 aus elektrisch leitfähigem Material,
wie durch Verdampfung, auf der Oberseite des Siliciumoxids abgelagert
Danach wird die Siliciumoxidschicht 536 mit einem Muster
versehen, und es werden Teile weggeätzt, um den Trägerabschnitt 530 freizusetzen, wobei
Träger-
bzw. Haltewände
auf jeder Seite des Trägers
zurückbleiben
und die leitfähige
Schicht 538, welche den Träger überspannt und im Abstand über der
leitfähigen
Schicht 535 angeordnet ist, übrigbleibt. Durch Anlegen eines
Potentials zwischen den leitfähigen
Schichten 534 und 535 oder zwischen den leitfähigen Schichten 535 und 538 kann
eine Vertikalbewegung des Trägers
bewerkstelligt oder detektiert werden.
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Eine
Anwendung der vorstehenden Strukturen und Herstellungstechniken
ist in 18 dargestellt, worin eine Trägerstruktur 550,
die eine nach aufwärts
gewandte Spitze 552 enthält, in einem Rasterelektronenmikroskop
verwendet wird. Die Trägerstruktur 550 ist
vorzugsweise gleichartig bzw. ähnlich jener,
welche in 11, Schritt 5 veranschaulicht
ist, und wird in ähnlicher
bzw. gleichartiger Weise hergestellt. Der Träger 550 und seine
Substratsiliciumschicht 554 wird dann mit einer Oxidschicht 556 in der
mit Bezug auf 17 beschriebenen Art und Weise
bedeckt, und es wird eine leitfähige
Schicht 558 auf die obere Oberfläche der Oxidschicht aufgedampft.
Die leitfähige
Schicht wird mit einem Muster versehen, um eine Öffnung 560 in der
leitfähigen Schicht
zu erzeugen, wobei ihre Achse coaxial mit der Spitze 552 ist.
Danach wird die Oxidschicht 564 mit einem Muster versehen,
und es werden Teile entfernt, um den Träger 550 freizusetzen,
während Oxidseitenwandträger bzw.
-halter 562 und 564 zum Halten der leitfähigen Schicht 558 an
Ort und Stelle zurückgelassen
werden. Der elektrisch leitfähige
Träger 550 ermöglicht es,
daß ein
Strom durch die Öffnung 560 zwischen
der Submikronspitze 552 und einem Probenmaterial 566,
das sich auf der gegenüber dem
Ort der Spitze entgegengesetzten Seite der Öffnung befindet, fließt. Der
Träger 550 und
demgemäß die Spitze 552 sind
in der hier beschriebenen Art und Weise bewegbar, um die Spitze
zu befähigen,
die Oberfläche
der Probe abzutasten, wobei der Stromfluß zum Bestimmen von Charakteristika
bzw. Eigenschaften der Proben meßbar ist.
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Eine
andere Anwendung der nach aufwärts gewandten
Spitzenstruktur, die mittels der Technik der 11 hergestellt
ist, ist in 19 veranschaulicht, worin ein
Träger 570 ein
Paar von gegenüberliegenden,
selbstabgefluchteten Tunnelungsspitzen 572 aufweist, die
zwischen dem Träger
und einem Substrat 574 ausgebildet sind und eine nach aufwärts gewandte
Spitze 576 aufweist. In dieser Ausführungsform ist die obere Oberfläche des
Trägers 570 mit
einem dünnen
elektrisch isolierenden Film 578 bedeckt. Die obere Spitze 576 wird
nahe der Oberfläche
einer Probe 580 plaziert, so daß die Einrichtung als ein Atomkraftmikroskop
wirkt, wobei der Tunnelstrom Charakteristika bzw. Eigenschaften
der Probe 580 angibt.
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Eine
Verwendung für
laterale selbstabgefluchtete gegenüberliegende Spitzen, die in
der Form von konischen oder keilförmigen Spitzen sein können, ist
in 20 veranschaulicht. Ein Paar 590 von lateral
gegenüberliegenden,
freigesetzten, selbstabgefluchteten konischen oder keilförmigen Spitzen wird
in einer Art und Weise, wie jene, die in den 7 bis 9 veranschaulicht
ist, hergestellt. Das Paar enthält
eine erste Bezugsspitze 592 und eine zweite, relativ bewegbare
Spitze 594. Die Spitze 594 ist integral mit einem
Halteträger 596 ausgebildet,
welcher als generell U-förmig
dargestellt ist, und zwar mit einer Basis 598 und einem
Paar von Schenkeln 600 und 602, die senkrecht
dazu sind. Der Halteträger
ist durch ein Paar Federn 604 und 606, die in
den Schenkeln 600 bzw. 602 lokalisiert sind, mit
einer stationären
Halterung 608 verbunden, welche z.B. die Wand einer Ausnehmung
in einem Substrat sein kann. Die Bezugsspitze 592 kann
auch auf der stationären
Halterung 608 lokalisiert sein, so daß sie relativ stationär mit Bezug
auf die Spitze 594 ist und als ein Fixpunkt für die bewegbare
Spitze wirkt. Eine Steuer- bzw. Regeleinrichtung, wie ein Kondensator 610,
der eine auf dem Träger 596 ausgebildete
Platte 612 und eine zweite, stationäre Platte 614, die
von der Platte 612 beabstandet ist, hat, ist zum Positionieren
des Trägers 596 vorgesehen,
um einen Spalt zwischen den Spitzen 592 und 594 herzustellen.
Danach kann eine Relativbewegung zwischen der Bezugsspitze 592 und
der bewegbaren Spitze 594 durch Beschleunigung der Bezugsspitze
bewirkt werden.
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Eine
perspektivische Ansicht einer Übereinanderschichtung
von Spitzen, wie jene, die im Schritt 5 der 12 dargestellt
sind, ist in 21 veranschaulicht, auf die
nun Bezug genommen wird. Die Spitzen der 21 sind
an den Schnittstellen von gekreuzten Trägern lokalisiert, wie es jene
sind, die in 4 veranschaulicht sind, obwohl
in diesem Falle parallele Träger,
die vertikal übereinandergeschichtet sind,
eine Mehrzahl von Schnittstellen in vertikaler Fluchtung vorsehen.
Demgemäß schneiden
sich die untersten gekreuzten Träger 640 und 642 bei
644, so daß sie
einen gekreuzten Spitzenhalteabschnitt bilden, der im Abstand über einem
Substratboden 646 angeordnet und parallel zu dem Substratboden 646 gehalten
ist. Ein erstes Paar 648 von gegenüberliegenden, selbstabgefluchteten
Spitzen, nämlich
einer oberen und unteren Spitze 650 bzw. 652,
wird während
der Bildung der Träger 640 und 642 hergestellt, wie
oben erörtert
worden ist, wobei die untere Spitze 652 stationär ist und
als ein Fixpunkt zum Lokalisieren der oberen Spitze 650 dient.
Wie es in 4 der Fall war, läßt die Herstellung
des Spitzenpaars 648 Rippen 654 und 656 auf
dem Boden 646 parallel zu den und im Abstand unter den
Trägern 640 bzw. 642 zurück, wobei
die unteren Ränder
der Träger
außerdem
sich verjüngend
ausgebildet sind, wie bei 658 und 660. Die sich
verjüngenden
Ränder 658 und 660 sind
parallel zu und fluchtend mit den Rippen 654 und 656,
da sie zur gleichen Zeit während
der Trennung der Träger 640 und 642 von
dem Substrat ausgebildet sind.
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Wie
in 12 veranschaulicht ist, ist es so, daß zur gleichen
Zeit das untere Spitzenpaar 648 hergestellt wird, sowie
ein oberes Spitzenpaar 670 und eine obere Spitze 672 an
der Schnittstelle 674 eines Paars von gekreuzten Trägern 676 und 678 ausgebildet
werden. Das obere Spitzenpaar 670 besteht aus den vertikalen,
gegenüberliegenden,
selbstabgefluchteten Spitzen 680 und 682, der
oberen und unteren Spitze, welche mit dem unteren Spitzenpaar 648 abgefluchtet
sind. Die oberste, nach aufwärts
gewandte Spitze 672 ist auch mit dem unteren Spitzen paar 648 und
mit dem zwischenliegenden Spitzenpaar 670 abgefluchtet,
und wird so hergestellt, wie in 12 dargestellt
ist.
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Die
gegenüberliegenden
Spitzenpaare 648 und 670 können axial miteinander abgefluchtet
sein, oder sie können
relativ in der X-Y-Ebene bewegt werden, wie auch in der senkrechten
Richtung (Z-Richtung), und zwar mittels geeigneter Wandler, wie
z.B. jenen, die in 14 dargestellt sind. Wie oben
erörtert
wurde, kann die Bewegung dieser Spitzen mit Bezug aufeinander außerdem mit
einem hohen Grad an Präzision
mittels der Wandler oder durch Messen des Abstands zwischen den
Spitzen detektiert werden. Die letztere Messung kann ausgeführt werden, indem
man die Tunnelströme
zwischen benachbarten Spitzen bestimmt, oder durch Messen ihrer
Kapazität
oder Potentialdifferenz.
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Wenn
es gewünscht
wird, kann es beim Herstellen der parallelen Träger wünschenswert sein, die Träger 640 und 676 mechanisch
zu verbinden und/oder die Träger 642 und 678 mechanisch
zu verbinden, so daß die
Spitzen im Paar 670 in der X-Y-Ebene mit Bezug aufeinander
ortsfest werden. Die Träger
bleiben in der Vertikalrichtung zwischen den Punkten der mechanischen
Verbindung flexibel, so daß sich
die Spitzen 680 und 682 näher zusammen oder weiter auseinander
bewegen können.
Diese Spitzen dienen dann als Tunnelungsspitzen, um Bewegung längs der
Vertikalachse zu detektieren. Solche mechanischen Verbindungen sind
bei 690 und 692 in strichpunktierten Linien zwischen
den Trägern 642 und 678 sowie
bei 694 und 696 zwischen den Trägern 640 und 676 gezeigt
und werden durch selektives Entfernen der Oxidationsschicht 264 (siehe 12,
Schritt 4) von zwischen den Trägern,
wobei Oxidverbindungen an Ort und Stelle übrigbleiben, ausgebildet.
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Die
oberste Spitze 672 funktioniert als eine Sondenspitze,
und sie ist sowohl lateral in der X-Y-Ebene als auch vertikal bewegbar,
um z.B. als ein Atomkraftmikroskop zu dienen. Das unterste Paar
von Spitzen 648 dient dazu, beide Sätze von Trägern in der X-Y-Ebene mit Bezug
auf die Fixpunktspitze 652 zu lokalisieren, wenn die Träger mechanisch
verbunden werden, während
der Abstand zwischen den Spitzenpaaren die Vertikalbewegung (Z-Richtung)
mißt.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung bezüglich bevorzugter
Ausführungsformen
beschrieben worden ist, ist es ersichtlich, daß zahlreiche Abwandlungen und
Variationen ausgeführt
werden können.
Die konischen Spitzen und keilartigen Spitzen der vorliegenden Erfindung
können
sowohl in vertikalen als auch in horizontalen Fluchtungen auf Silicium-auf-Isolator-Wafern,
dünnen
Siliciummembranen oder anderen Siliciumsubstraten, einschließlich amorphen
Siliciumfilmen und Polysiliciumfilmen, die auf Isolatoren abgelagert
sind, ausgebildet werden, und die oben beschriebenen Verfahren können leicht angepaßt werden,
um eine Dotierung der Materialien unter Verwendung von jeder gewünschten
Art von Dotierungsmittel in jeder Dotierungskonzentration zu gestatten.
Es ist außerdem
ersichtlich, daß dort,
wo die bewegbaren Siliciumträger
der vorliegenden Erfindung auf dünnen
Siliciummembranen ausgebildet werden, der untere Boden 90 (4)
genügend
dünn gemacht
werden kann, so daß er
flexibel ist, um dadurch bewegliche untere Spitzen zu erhalten.
Weiter kann die obere Insel von dem Paar abgefluchteter Spitzen entfernt
werden, um nur eine einzige untere Spitzen-/Keilstruktur zurückzulassen.
Es ist auch möglich,
die untere Spitze, wie die Spitze 12 in 4, zu
entfernen, um eine Öffnung
durch den Boden 90 zu erzeugen, durch welche Elektronen
aus der oberen Spitze fließen
können,
oder die einander schneidenden Träger der 4 zu benutzen,
um die obere Spitze elektrisch zu spezifizierten Orten zu bewegen. Es
ist weiter möglich,
Elemente, wie Tunneldioden, Feldemitter, p-n-Dioden oder dergleichen
auf einer bewegbaren Spitze zu lokalisieren.
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Das
Verfahren der vorliegenden Erfindung kann auch dazu benutzt werden,
Pfeiler bzw. Ständer bzw.
Stützen
wie auch Träger
zu erzeugen, und darüberhinaus
durch Oxidieren von ausgewählten
Orten von solchen Pfeilern bzw. Stützen bzw. Säulen und Trägem können Segmente bzw. Abschnitte
der Strukturen elektrisch voneinander isoliert werden. Somit ist
die vorliegende Erfindung nur durch den Umfang der nachfolgenden
Ansprüche
begrenzt.