EP0772876A1 - Mikromechanisch gefertigter schreib-/lesekopf für ladungsspeicherelemente - Google Patents

Mikromechanisch gefertigter schreib-/lesekopf für ladungsspeicherelemente

Info

Publication number
EP0772876A1
EP0772876A1 EP95917982A EP95917982A EP0772876A1 EP 0772876 A1 EP0772876 A1 EP 0772876A1 EP 95917982 A EP95917982 A EP 95917982A EP 95917982 A EP95917982 A EP 95917982A EP 0772876 A1 EP0772876 A1 EP 0772876A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
tip
read
write head
shaft
holding part
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP95917982A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Bayer
Johann Greschner
Helga Weiss
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
International Business Machines Corp
Original Assignee
International Business Machines Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by International Business Machines Corp filed Critical International Business Machines Corp
Publication of EP0772876A1 publication Critical patent/EP0772876A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y10/00—Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11B—INFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
    • G11B9/00—Recording or reproducing using a method not covered by one of the main groups G11B3/00 - G11B7/00; Record carriers therefor
    • G11B9/12—Recording or reproducing using a method not covered by one of the main groups G11B3/00 - G11B7/00; Record carriers therefor using near-field interactions; Record carriers therefor
    • G11B9/14—Recording or reproducing using a method not covered by one of the main groups G11B3/00 - G11B7/00; Record carriers therefor using near-field interactions; Record carriers therefor using microscopic probe means, i.e. recording or reproducing by means directly associated with the tip of a microscopic electrical probe as used in Scanning Tunneling Microscopy [STM] or Atomic Force Microscopy [AFM] for inducing physical or electrical perturbations in a recording medium; Record carriers or media specially adapted for such transducing of information
    • G11B9/1409—Heads
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11B—INFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
    • G11B9/00—Recording or reproducing using a method not covered by one of the main groups G11B3/00 - G11B7/00; Record carriers therefor
    • G11B9/12—Recording or reproducing using a method not covered by one of the main groups G11B3/00 - G11B7/00; Record carriers therefor using near-field interactions; Record carriers therefor
    • G11B9/14—Recording or reproducing using a method not covered by one of the main groups G11B3/00 - G11B7/00; Record carriers therefor using near-field interactions; Record carriers therefor using microscopic probe means, i.e. recording or reproducing by means directly associated with the tip of a microscopic electrical probe as used in Scanning Tunneling Microscopy [STM] or Atomic Force Microscopy [AFM] for inducing physical or electrical perturbations in a recording medium; Record carriers or media specially adapted for such transducing of information
    • G11B9/1418—Disposition or mounting of heads or record carriers

Definitions

  • the present invention relates to a read / write head for charge storage elements, which is manufactured micromechanically, and to a method for its production.
  • a number of new storage methods have been proposed, such as a nitride oxide silicon (NOS) storage element consisting of a silicon substrate and applied thin layers of oxide and nitride.
  • NOS nitride oxide silicon
  • charge is written into the thin nitride film using a fine tip.
  • an electrical pulse is applied between the tip and the silicon substrate, charge will flow through the thin oxide layer into the nitride and be held there. This can be called a write operation.
  • the information can also be read out or deleted.
  • storage densities of 30 Gbit / in 2 were achieved with charge area units of approximately 150 nm in diameter.
  • a memory element with an arrangement of a plurality of read / write heads is described in US Pat. No. 5,307,311.
  • the storage element consists of several support arms that store bits, and the read / write heads are arranged opposite the support arms.
  • the structure of the read / write heads is very similar to the known tips for scanning tunneling or atomic force microscopy. With this tip shape, the frequent direct contact with the surface of a charge storage element in long-term operation leads to signs of wear at the tip, which leads to a changed contact surface, so that the worn tip, compared to a perfect new tip, has a different force on the surface of a tip Charge storage element presses.
  • the object of the invention is to provide a micromechanically manufactured read / write head for charge storage elements, the tip of which is designed such that it can come into direct contact with the surface of a charge storage element for writing and reading information and also works reliably in long-term operation.
  • the micromechanically manufactured read / write head for charge storage elements consists of a holding part, a support arm and a tip with shaft and front end.
  • the holding part, support arm and tip are formed as an integrated part made of conductive material.
  • the front end of the tip is formed so that it can come into direct contact with the surface of a charge storage element for writing and reading information.
  • the shaft of the tip has a small diameter and is surrounded by a reinforcing sheath.
  • the method for producing read / write heads for charge storage elements comprises the following steps:
  • the shaft is thinned by thermal oxidation, in which an oxide layer completely enveloping these two parts grows simultaneously on the support arm and the holding part and the mask layer prevents oxidation at the front end of the tip. This ensures that the active surface and thus the contact surface pressure always remain the same when abrasion or abrasion cannot be completely excluded in the operating state.
  • the size of the the charge area unit representing information written in therefore always remains constant.
  • Figure 2 is a schematic cross-sectional representation of a read / write head with a two-layer reinforcing sheath
  • Fig. 4 is a representation of the arrangement with several read / write heads in a schematic cross section and
  • 5A, B and C illustrate the most important process steps for the production of the read / write heads.
  • FIG. 1 illustrates an embodiment of the fabricated by micromechanical methods read / write head according to the invention for charge storage elements.
  • the head 1 is composed of a holding member 2, a bracket 3 and a tip 4 with the shaft 4a and the front end 4b.
  • Holding part 2, support arm 3 and tip 4 have been produced as an integrated part 5 made of conductive material.
  • Highly doped silicon which can be processed well with the known micromechanical methods, is particularly suitable for this.
  • the shaft 4a has a very small diameter and is surrounded by a reinforcing sheath 6.
  • the front end 4b of the tip which is intended to read and read information in direct contact with the charge storage element, must in no case be covered by the reinforcing sheath 6.
  • the tip shaft 4a and the actually active surface of the front tip end 4b are made as thin as possible, the tip would very easily bend or even break off without the reinforcing sheath 6 surrounding the shaft when writing or reading in contact with the charge storage element. In any case, a significant abrasion or abrasion would soon be expected.
  • the electrically conductive core or tip shank 4a should have no cross-sectional fluctuations over its entire length. Only then is it ensured that, in the event of abrasion or abrasion which cannot be completely excluded, the active surface and thus the contact surface pressure always remain the same. This also ensures that the size of the cargo area unit representing the inscribed information always remains constant. This means that the shaft 4a of the tip 4 should have side flanks which are as vertical as possible. With extremely small shaft diameters of less than 50 nm, at Ultrafine peaks have reached values below 20 nm, and for shaft lengths of approximately 20 ⁇ m this corresponds to a ratio of tip length to active tip diameter in the range of approximately 10,000.
  • FIGS. 5A, B and C The most important process steps for the production of the read / write heads are shown in FIGS. 5A, B and C. Many of the required process steps have already been described in detail in European Patent 0 413 040.
  • a mask layer is applied to a silicon substrate and the mask layer is structured using photolithographic processes to form a mask pattern 9.
  • the mask pattern is then transferred into the substrate to form the shaft 4a of a tip 4.
  • Reactive ion etching is particularly suitable for this process step.
  • the result of this process step can be seen in Fig. 5A.
  • the support arm 3 and a holding part 2 are formed from the same substrate.
  • the shaft 4a is thinned, the thinning in contrast to the thinning step in European Patent 0 413 040, where it is carried out by isotropic wet etching, here by thermal oxidation.
  • This thinning of the shaft 4a by thermal oxidation lets a silicon dioxide layer grow out of and on the previously formed shaft of the tip.
  • the shaft diameter on the one hand shrinks and on the other hand the thickness of the sheath 6 reinforcing the shaft increases accordingly.
  • the finer the active shaft area the more stable the surrounding oxide shell becomes.
  • the oxide shell can be up to several ⁇ m thick. Since thermal oxidation is one of the most controllable processes in micromechanics and microelectronics, this process step can achieve shaft diameters that are significantly smaller than 50 nm, and even less than approximately 20 nm.
  • the thick oxide sheath 6 In addition to the mechanical support function for the tip shaft 4a, the thick oxide sheath 6 also takes on the task of slowing down or even preventing material removal of the tip by abrasion or grinding when the surface of charge storage elements contacts.
  • the contact force is set primarily by the rigidity of the support arm 3.
  • the largest possible contact area therefore means less pressure and thus slower removal, abrasion or sanding.
  • the contact forces are, as in scanning tunneling or atomic force microscopy, around 10 -7 to 10 ⁇ 9 N. In scanning tunneling or atomic force microscopy, however, the pressure on the tip is much higher than in the read / write heads described here, whose front tip end is designed so that it can come into direct contact with the surfaces of charge storage. A short calculation example should prove this.
  • the pressing force is 10 "8 N and the tip cross-section (10 x 10) nm. This leads to a surface pressure of 10 2 N / mm 2.
  • the read / write head described here has a cross-sectional area of 3 x 3 ⁇ m. This leads to a Surface pressure of about 10 "3 N / mm 2 . The surface pressure is thus 10 5 times lower than with the tips for scanning tunneling or atomic force microscopy.
  • an oxide layer 6 completely enveloping these two parts also grows out of / on the support arm 3 and the holding part 2, as shown in FIG. 5B.
  • the mask layer 9 has to ensure that no oxidation takes place at the front end 4b of the tip 4 and is removed after the oxidation, FIG. 5C. It is therefore necessary to choose a very dense material that is impenetrable to oxygen molecules for the mask layer. Silicon nitride is particularly suitable.
  • the reinforcing sheath 6 can not only consist of an oxide layer, but can also be constructed from a plurality of dielectric layers 6a, 6b. Such a second or further covering layer prevents the tip from being abraded and worn even more reliably.
  • Diamond-like carbon which is the best of the known materials to be applied as a thin layer, is best suited for these second or further layers has abrasion-preventing properties.
  • the oxide layer or the plurality of dielectric layers can also be covered by a conductive layer, which is used, for example, for grounding purposes and allows improved electrical signal routing.
  • the mechanical holding part 2 has regions 7 which are not covered by the reinforcing sheath 6. These areas are used for electrical contacting of the read / write head and, if necessary, hybrid or monolithic control and evaluation electronics 8 can be applied in these areas. For this purpose, it is necessary to create contact openings in the dielectric or conductive layer 6b and in the thermal oxide layer 6a in the provided areas 7 of the holding part 2 to the silicon substrate.
  • FIG. 3 shows a representation of the arrangement with several read / write heads in a schematic cross section.
  • Support arm 3 and tip 4 of an individual read / write head 10 are each formed as an integrated part 50 made of conductive material and insulated from the common holding part 20.
  • the electrodes representing the individual read / write heads are insulated from the substrate, which can be achieved by means of a silicon-on-insulator (SOI) substrate in which two single-crystal silicon wafers are separated from one another by a thermal oxide.
  • SOI silicon-on-insulator

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Printers Or Recording Devices Using Electromagnetic And Radiation Means (AREA)

Abstract

Der mikromechanisch gefertigte Schreib-/Lesekopf (1) für Ladungsspeicherelemente besteht aus einem Halteteil (2), einem Tragarm (3) und einer Spitze (4) mit Schaft (4a) und vorderem Ende (4b). Halteteil (2), Tragarm (3) und Spitze (4) sind als integriertes Teil (5) aus leitfähigem Material gebildet. Das vordere Ende (4b) der Spitze (4) ist so ausgebildet, dass dieses zum Schreiben und Lesen von Information in direkten Kontakt mit der Oberfläche eines Ladungsspeicherelements treten kann. Der Schaft (4a) der Spitze (4) weist einen geringen Durchmesser auf und ist von einer verstärkenden Hülle (6) umgeben.

Description

B E S C H R E I B U N G
Mikromechanisch gefertigter Schreib-/Lesekopf für Ladungsspeiehere1emente
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Schreib-/Lesekopf für Ladungsspeicherelemente, der mikromechanisch gefertigt wird, und auf ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Basierend auf der Rastertunnel- bzw. Rasterkraft¬ mikroskopie sind eine Reihe von neuartigen Speicherverfahren vorgeschlagen worden, wie zum Beispiel ein Nitrid-Oxid-Silizium (NOS) Speicherelement bestehend aus einem Siliziumsubstrat und aufgebrachten dünnen Schichten aus Oxid und Nitrid. In einem solchen wird mit Hilfe einer feinen Spitze Ladung in den dünnen Nitridfilm eingeschrieben. Beim Anlegen eines elektrischen Pulses zwischen Spitze und Silizium¬ substrat wird durch Tunneln Ladung durch die dünne Oxidschicht in das Nitrid fließen und dort festgehalten. Dies kann als Schreibvorgang bezeichnet werden. Mit derselben Spitze kann die Information auch wieder ausgelesen oder gelöscht werden. Mit derartigen Speicherelementen wurden in Versuchen Speicherdichten von 30 Gbit/in2 erzielt bei Ladungsflächeneinheiten von ungefähr 150 nm im Durchmesser. Die zum Schreiben und Lesen verfügbaren und auch eingesetzten Strukturen sind eigentlich als induktiver magnetischer Schreib-Lesekopf entwickelt worden und daher für den Einsatz bei NOS Speicherelementen nicht optimal geeignet. Ihr komplexer Aufbau erlaubt kaum noch weitere Verkleinerungen der aktiven Schreib-/Leseflache. Aufgrund der großen lateralen Dimensionen von ungefähr 12 mm x 600 μm ist eine Anordnung mit mehreren Schreib-/Leseköpfen nicht realisierbar, was aber im Hinblick auf eine verbesserte Datenrate durch Parallelverarbeitung wünschenswert ist.
Ein Speicherelement mit einer Anordnung von mehreren Schreib-/Leseköpfen ist in der US-Patentschrift 5,307,311 beschrieben. Das Speicherelement besteht aus mehreren Tragarmen, die Bits speichern, und gegenüber den Tragarmen sind die Schreib-/Leseköpfe angeordnet. Die Schreib-/Leseköpfe ähneln in ihrer Struktur sehr stark den bekannten Spitzen für die Rastertunnel- oder Rasterkraftmikroskopie. Bei dieser Spitzenform kommt es durch den häufigen direkten Kontakt mit der Oberfläche eines Ladungsspeicherelements im Langzeitbetrieb zu Verschleißerscheinungen an der Spitze, die zu einer veränderten Auflagefläche führen, so daß die abgenutzte Spitze im Vergleich zu einer perfekten neuen Spitze mit einer anderen Kraft auf die Oberfläche eines Ladungsspeicherelements drückt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen mikromechanisch gefertigten Schreib-/Lesekopf für Ladungsspeicherelemente bereitzustellen, dessen Spitze so ausgebildet ist, daß sie zum Schreiben und Lesen von Information in direkten Kontakt mit der Oberfläche eines Ladungsspeicherelements treten kann und auch im Langzeitbetrieb zuverlässig arbeitet.
Gelöst wird diese Aufgabe durch den mikromechanisch gefertigten Schreib-/Lesekopf nach Anspruch 1 und ein Verfahren zu seiner Herstellung nach Anspruch 8. Der mikromechanisch gefertigte Schreib-/Lesekopf für Ladungsspeicherelemente besteht aus einem Halteteil, einem Tragarm und einer Spitze mit Schaft und vorderem Ende. Halteteil, Tragarm und Spitze sind als integriertes Teil aus leitfähigem Material gebildet. Das vordere Ende der Spitze ist so ausgebildet, daß dieses zum Schreiben und Lesen von Information in direkten Kontakt mit der Oberfläche eines Ladungsspeicherelements treten kann. Der Schaft der Spitze weist einen geringen Durchmesser auf und ist von einer verstärkenden Hülle umgeben.
Das Verfahren zur Herstellung von Schreib-/Leseköpfen für Ladungsspeicherelemente umfaßt folgende Schritte:
Bereitstellen eines Siliziumsubstrats, Aufbringen einer Maskenschicht auf dem Substrat, Ausbilden eines Maskenmusters mittels photolithographischer Prozesse, Herstellen des Schafts einer Spitze durch Übertragen des Maskenmusters in das Substrat durch reaktives Ionenätzen, Ausbilden eines Tragarms und eines Halteteils aus dem Substrat, Dünnen des Schafts und Entfernen der Maskenschicht.
Das Dünnen des Schafts geschieht durch thermische Oxidation, bei der gleichzeitig auf dem Tragarm und dem Halteteil eine diese beiden Teile vollständig umhüllende Oxidschicht aufwächst und die Maskenschicht die Oxidation am vorderen Ende der Spitze verhindert. Dadurch ist sichergestellt, daß bei nicht ganz auszuschließendem Abrieb oder Abschliff im Betriebszustand die aktive Fläche und somit der Kontaktflächendruck stets gleich bleiben. Die Größe der die eingeschriebene Information darstellenden Ladungsflächeneinheit bleibt daher stets konstant.
Im folgenden sind die Erfindung und besonders vorteilhafte Ausgestaltungen genauer beschrieben unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, wobei
Fig. 1 den mikromechanisch gefertigten Schreib- /Lesekopf für Ladungsspeicherelemente schematisch im Querschnitt zeigt;
Fig. 2 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Schreib-/Lesekopfes mit einer aus zwei Schichten bestehenden verstärkenden Hülle ist;
Fig. 3 eine Anordnung mit mehreren Schreib- /Leseköpfen in der Aufsicht zeigt;
Fig. 4 eine Darstellung der Anordnung mit mehreren Schreib-/Leseköpfen in schematischem Querschnitt ist und
Fig. 5A, B und C die zur Herstellung der Schreib-/Leseköpfe wichtigsten Verfahrensschritte darstellen.
Die schematische Querschnittsdarstellung in Fig. "1 zeigt eine Ausführungsform des nach mikromechanischen Methoden gefertigten erfindungsgemäßen Schreib- /Lesekopfes für Ladungsspeicherelemente. Der Kopf 1 besteht aus einem Halteteil 2, einem Tragarm 3 und einer Spitze 4 mit Schaft 4a und vorderem Ende 4b. Halteteil 2, Tragarm 3 und Spitze 4 sind als ein integriertes Teil 5 aus leitfähigem Material hergestellt worden. Besonders geeignet dafür ist hochdotiertes Silizium, das sich mit den bekannten mikromechanischen Methoden gut bearbeiten läßt.
Der Schaft 4a weist einen sehr geringen Durchmesser auf und ist von einer verstärkenden Hülle 6 umgeben. Das vordere Ende 4b der Spitze, das in direktem Kontakt mit dem Ladungsspeicherelement Informationen ein- und auslesen soll, darf auf keinen Fall von der verstärkenden Hülle 6 überzogen sein.
Da der Spitzenschaft 4a und die eigentlich aktive Fläche des vorderen Spitzenendes 4b möglichst dünn ausgestaltet werden, würde sich die Spitze ohne die den Schaft umgebende verstärkende Hülle 6 beim Schreiben oder Lesen im Kontakt mit dem Ladungsspeicherelement sehr leicht verbiegen oder gar abbrechen. Auf jeden Fall wäre mit einem baldigen deutlichen Abrieb oder Abschliff zu rechnen.
Der elektrisch leitfähige Kern oder Spitzenschaft 4a sollte über seine Gesamtlänge gesehen keinerlei Querschnittsschwankungen haben. Nur dann ist gewährleistet, daß bei nicht ganz auszuschließendem Abrieb oder Abschliff im Betriebszustand die aktive Fläche und somit der Kontaktflächendruck stets gleich bleiben. Dadurch ist auch sichergestellt, daß die Größe der die eingeschriebene Information darstellenden Ladungsflächeneinheit stets konstant bleibt. Dies bedeutet, daß der Schaft 4a der Spitze 4 möglichst senkrechte Seitenflanken haben sollte. Bei extrem kleinen Schaftdurchmessern von unter 50 nm, bei ultrafeinen Spitzen sind Werte unter 20 nm erreicht worden, und bei Schaftlängen von ungefähr 20 μm entspricht dies einem Verhältnis von Spitzenlänge zu aktivem Spitzendurchmesser im Bereich von ungefähr 10.000.
Wichtig für die Spitze 4 ist, daß deren Geometrievorgaben exakt eingehalten werden, wobei die einzuhaltende Geometrie und die Herstelltechnik eng miteinander verknüpft sind.
Die wichtigsten Verfahrensschritte zur Herstellung der Schreib-/Leseköpfe sind in den Figuren 5A, B und C dargestellt. Viele der erforderlichen Prozeßschritte sind bereits in der Europäischen Patentschrift 0 413 040 ausführlich beschrieben.
Auf einem Siliziumsubstrat wird eine Maskenschicht aufgebracht und mittels photolithographischer Prozesse wird die Maskenschicht strukturiert zur Ausbildung eines Maskenmusters 9. Anschließend wird das Maskenmuster übertragen in das Substrat zur Ausbildung des Schafts 4a einer Spitze 4. Besonders geeignet für diesen Prozeßschritt ist das reaktive Ionenätzen. Das Ergebnis dieses Prozeßschritts ist in Fig. 5A zu sehen. Gleichzeitig mit der Ausbildung des Spitzenschafts oder im Anschluß daran werden der Tragarm 3 und ein Halteteil 2 aus demselben Substrat geformt.
Der Schaft 4a wird gedünnt, wobei das Dünnen im Gegensatz zu dem Dünnungsschritt in der Europäischen Patentschrift 0 413 040, wo es durch isotropes Naßätzen erfolgt, hier durch thermische Oxidation geschieht. Dieses Dünnen des Schafts 4a durch thermische Oxidation läßt aus und auf dem vorher ausgebildeten Schaft der Spitze eine Siliziumdioxidschicht wachsen. Durch die stattfindende Materialumwandlung von Silizium in Siliziumdioxid schrumpft einerseits der Schaft¬ durchmesser und andererseits wächst die Dicke der den Schaft verstärkenden Hülle 6 entsprechend an. Je feiner der aktive Schaftbereich wird, desto stabiler wird gleichzeitig die ihn umgebende Oxidhülle. Die Oxidhülle kann bis zu mehreren um dick werden. Da die thermische Oxidation zu den am besten kontrollierbaren Prozessen in der Mikromechanik und Mikroelektronik gehört, lassen sich mit diesem Prozeßschritt Schaftdurchmesser deutlich kleiner als 50 nm erzielen, ja sogar durchaus von kleiner als ungefähr 20 nm.
Neben der mechanischen Stützfunktion für den Spitzenschaft 4a übernimmt die dicke Oxidhülle 6 auch die Aufgabe, Materialabtrag der Spitze durch Abrieb oder Abschliff beim Kontaktieren der Oberfläche von Ladungsspeicherelementen zu verlangsamen bzw. sogar zu verhindern.
Die Kontaktkraft wird vor allem durch die Steifigkeit des Tragarms 3 eingestellt. Möglichst große Kontaktfläche bedeutet daher geringeren Aufpreßdruck und damit langsameren Abtrag, Abrieb oder Abschliff. Die Kontaktkräfte liegen dabei wie in der Rastertunnel¬ bzw. Rasterkraftmikroskopie bei etwa 10-7 bis 10~9 N. In der Rastertunnel- bzw. Rasterkraftmikroskopie ist der Druck auf die Spitze allerdings ungleich höher als bei den hier beschriebenen Schreib-/Leseköpfen, deren vorderes Spitzenende so gestaltet ist, daß es in direkten Kontakt mit den Oberflächen von Ladungsspeichern treten kann. Ein kurzes Berechnungsbeispiel soll dies belegen. Die Aufpreßkraft sei 10"8 N und der Spitzenquerschnitt (10 x 10) nm. Dies führt zu einem Flächendruck von 102 N/mm2. Der hier beschriebene Schreib-/Lesekopf habe eine Querschnittsfläche von 3 x 3 μm. Dies führt zu einem Flächendruck von etwa 10"3 N/mm2. Somit ist der Flächendruck also 105 mal geringer als bei den Spitzen für die Rastertunnel- bzw. Rasterkraftmikroskopie.
Bei der thermischen Oxidation wächst auch aus/auf dem Tragarm 3 und dem Halteteil 2 eine diese beiden Teile vollständig umhüllende Oxidschicht 6, wie in Fig. 5B dargestellt.
Die Maskenschicht 9 hat während dieses Oxidationsschritts, bei dem eine Oxidhülle mit einer möglicherweise größeren Dicke als die Maskenschicht selbst entsteht, sicherzustellen, daß keinerlei Oxidation am vorderen Ende 4b der Spitze 4 stattfindet und wird nach dem Oxidieren entfernt, Fig. 5C. Daher ist es erforderlich, für die Maskenschicht ein sehr dichtes, für Sauerstoffmoleküle undurchdringliches Material zu wählen. Besonders geeignet ist Siliziumnitrid.
Wie in Fig. 2 dargestellt, kann die verstärkende Hülle 6 nicht nur aus einer Oxidschicht bestehen, sondern aus mehreren dielektrischen Schichten 6a, 6b aufgebaut sein. Eine derartige zweite oder weitere Hüllschicht verhindert noch zuverlässiger möglichen Abrieb und Abnutzung der Spitze. Am besten geeignet für diese zweite oder weitere Schichten ist diamantartiger Kohlenstoff, der unter den bekannten, als dünne Schicht aufzubringenden, Materialien die besten abriebverhindernden Eigenschaften aufweist. Ebenso können die Oxidschicht oder die mehreren dielektrischen Schichten noch von einer leitfähigen Schicht bedeckt sein, die beispielsweise zu Erdungszwecken dient und eine verbesserte elektrische Signalführung erlaubt.
Wie in Fig.l oder 2 zu erkennen ist, weist das mechanische Halteteil 2 Bereiche 7 auf, die nicht von der verstärkenden Hülle 6 bedeckt sind. Diese Bereiche dienen zum elektrischen Kontaktieren des Schreib- /Lesekopfes und bei Bedarf läßt sich in diesen Bereichen hybrid oder monolithisch Ansteuer- und Auswerteelektronik 8 aufbringen. Hierfür ist es erforderlich, in den vorgesehenen Bereichen 7 des Halteteils 2 zum Siliziumsubstrat hindurchgehende Kontaktöffnungen in der dielektrischen oder leitenden Schicht 6b und in der thermischen Oxidschicht 6a zu schaffen.
Ein wichtiger Faktor für brauchbare Speicherkonzepte ist nicht nur die Speicherdichte, sondern auch die Datenrate beim Schreiben und Lesen. Heutige magnetische Datenspeicher besitzen Datenraten von einigen MBytes/sec. Zu solchen Datenraten kann man mit den hier vorgestellten Schreib-/Leseköpfen nur durch gezielten gleichzeitigen Einsatz von einer Vielzahl parallel arbeitender Köpfe gelangen.
Da die hier beschriebenen Schreib-/Leseköpfe mikromechanisch hergestellt werden, können auf einfachem Wege auch Anordnungen mit mehreren Schreib- /Leseköpfen 10 hergestellt werden, z.B. wie in Fig. 3 dargestellt. Fig. 4 zeigt eine Darstellung der Anordnung mit mehreren Schreib-/Leseköpfen in schematischem Querschnitt.
Tragarm 3 und Spitze 4 eines einzelnen Schreib- /Lesekopfes 10 sind jeweils als integriertes Teil 50 aus leitfähigem Material gebildet und gegenüber dem gemeinsamen Halteteil 20 isoliert. Die die einzelnen Schreib-/Leseköpfe darstellenden Elektroden sind gegenüber dem Substrat isoliert, was sich durch ein Silicon-on-Insulator (SOI) Substrat erreichen läßt, bei dem zwei einkristalline Siliziumscheiben durch ein thermisches Oxid voneinander getrennt sind.
Einzelköpfe als auch Anordnungen mit mehreren Schreib- /Leseköpfen lassen sich extrem kostengünstig herstellen durch Batch Fabrikation.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Mikromechanisch gefertigter Schreib-/Lesekopf (1) für Ladungsspeicherelemente bestehend aus
einem Halteteil (2),
einem Tragarm (3) und
einer Spitze (4) mit Schaft (4a) und vorderem Ende (4b),
wobei
Halteteil (2), Tragarm (3) und Spitze (4) als integriertes Teil (5) aus leitfähigem Material gebildet sind;
das vordere Ende (4b) der Spitze (4) so ausgebildet ist, daß dieses zum Schreiben und Lesen von Information in direkten Kontakt mit der Oberfläche eines Ladungsspeicherelements treten kann; und
der Schaft (4a) der Spitze (4) einen geringen Durchmesser aufweist und von einer verstärkenden Hülle (6) umgeben ist.
2. Schreib-/Lesekopf nach Anspruch 1 wobei der Schaft (4a) der Spitze (4) senkrechte Seitenflanken hat und das Verhältnis von Spitzenlänge zu Spitzendurchmesser im Bereich von ungefähr 10.000 liegt.
3. Schreib-/Lesekopf nach Anspruch 1 oder 2 wobei das Halteteil (2) und der Tragarm (3) ebenfalls von der verstärkenden Hülle (6) umgeben sind.
4. Schreib-/Lesekopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3 wobei die verstärkende Hülle (6) aus einer oder mehreren dielektrischen Schichten (6a,6b) oder aus einer oder mehreren dielektrischen Schichten und einer darüberliegenden leitfähigen Schicht aufgebaut ist.
5. Schreib-/Lesekopf nach Anspruch 3 oder 4 wobei das Halteteil (2) Bereiche (7) aufweist, die nicht von der verstärkenden Hülle (6) bedeckt sind und an denen hybrid oder monolithisch Ansteuer- und Auswerteelektronik (8) aufgebracht ist.
6. Schreib-/Lesekopf nach Anspruch 4 oder 5 wobei das integrierte Teil (5) aus hochdotiertem Silizium besteht und die dielektrischen Schichten der verstärkenden Hülle (6) aus Siliziumdioxid und diamantartigem Kohlenstoff bestehen.
7. Anordnung mit mehreren Schreib-/Leseköpfen (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, wobei Tragarm (3) und Spitze (4) eines einzelnen Schreib-/Lesekopfes (10) jeweils als integriertes Teil (50) aus leitfähigem Material gebildet und gegenüber dem gemeinsamen Halteteil (20) isoliert sind.
8. Verfahren zur Herstellung von Schreib-/Leseköpfen für Ladungsspeicherelemente nach einem der Ansprüche 1 bis 6, folgende Schritte umfassend:
Bereitstellen eines Siliziumsubstrats
Aufbringen einer Maskenschicht auf dem Substrat
Ausbilden eines Maskenmusters (9) mittels photolithographischer Prozesse
Herstellen eines Schafts (4a) einer Spitze (4) durch Übertragen des Maskenmusters (9) in das Substrat durch reaktives Ionenätzen
Ausbilden eines Tragarms (3) und eines Halteteils (2) aus dem Substrat
Dünnen des Schafts (4a)
Entfernen der Maskenschicht (9)
dadurch gekennzeichnet daß das Dünnen des Schafts (4a) durch thermische Oxidation geschieht, bei der gleichzeitig auf dem Tragarm (3) und dem Halteteil (2) eine diese beiden Teile vollständig umhüllende Oxidschicht (6) aufwächst und die Maskenschicht (9) die Oxidation am vorderen Ende (4b) der Spitze (4) verhindert.
9. Verfahren nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet daß die Maskenschicht (9) aus Siliziumnitrid besteht.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9 dadurch gekennzeichnet daß auf die thermische Oxidschicht (6a) eine weitere dielektrische Schicht (6b) oder eine leitende Schicht (6b) aufgebracht wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet daß in bestimmten Bereichen (7) des Halteteils (2) zum Siliziumsubstrat hindurchgehende Kontaktöffnungen in der dielektrischen oder leitenden Schicht (6b) und in der thermischen Oxidschicht (6a) geschaffen werden.
EP95917982A 1995-04-29 1995-04-29 Mikromechanisch gefertigter schreib-/lesekopf für ladungsspeicherelemente Withdrawn EP0772876A1 (de)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/EP1995/001640 WO1996035212A1 (de) 1995-04-29 1995-04-29 Mikromechanisch gefertigter schreib-/lesekopf für ladungsspeicherelemente

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP0772876A1 true EP0772876A1 (de) 1997-05-14

Family

ID=8166009

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP95917982A Withdrawn EP0772876A1 (de) 1995-04-29 1995-04-29 Mikromechanisch gefertigter schreib-/lesekopf für ladungsspeicherelemente

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP0772876A1 (de)
DE (1) DE19614072A1 (de)
WO (1) WO1996035212A1 (de)

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5938652B2 (ja) * 1980-03-14 1984-09-18 日本ビクター株式会社 静電容量値の変化検出型再生素子の再生針
JPS5769504A (en) * 1980-10-15 1982-04-28 Sanyo Electric Co Ltd Structure of scanning stylus
DE3572030D1 (en) * 1985-03-07 1989-09-07 Ibm Scanning tunneling microscope
DE3679319D1 (de) * 1986-05-27 1991-06-20 Ibm Speichereinheit mit direktem zugriff.
EP0437275B1 (de) * 1990-01-11 1997-08-27 Canon Kabushiki Kaisha Mikrosonde, Herstellungsverfahren zur Herstellung derselben und Informations-Eingabe- und/oder Ausgabe-Gerät welches dieselbe verwendet
US5216631A (en) * 1990-11-02 1993-06-01 Sliwa Jr John W Microvibratory memory device
US5609948A (en) * 1992-08-21 1997-03-11 Minnesota Mining And Manufacturing Company Laminate containing diamond-like carbon and thin-film magnetic head assembly formed thereon
US5734519A (en) * 1993-03-25 1998-03-31 International Business Machines Corporation Contact magnetic recording disk file with improved head assembly

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO9635212A1 *

Also Published As

Publication number Publication date
WO1996035212A1 (de) 1996-11-07
DE19614072A1 (de) 1996-10-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE19680763B4 (de) Verfahren zur Herstellung einer mikroelektromechanischen Vorrichtung
DE69721986T2 (de) Taststift-Konfiguration sowie Herstellungsverfahren und Verwendung von Taststiften
DE69109216T2 (de) Fein-Abtastmechanismus für Atomkraft-Mikroskop.
DE60220037T2 (de) Molekulares speichersystem und verfahren
DE69127379T2 (de) Mikrosonde, Herstellungsverfahren zur Herstellung derselben und Informations-Eingabe- und/oder Ausgabe-Gerät welches dieselbe verwendet
DE69412882T2 (de) Kohlenstoffmaterial, hergestellt aus Graphit, und Verfahren zur Herstellung desselben
DE69307021T2 (de) Sonde eines Rastertunnelmikroskops und Verfahren zur deren Herstellung
DE69831287T2 (de) Leitender Mikro-Tastkopf und Speichervorrichtung
DE19954022A1 (de) Halbleitersensor für eine physikalische Grösse und Verfahren zu dessen Herstellung
DE2716992A1 (de) Feldemitteranordnung und verfahren zu deren herstellung
DE60202850T2 (de) Gerät und methode zum speichern und lesen von daten von hoher dichte
DE102016208925B4 (de) Mikromechanischer Sensor und Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Sensors
EP1019972B1 (de) Piezoelektrisches element
EP2236455B1 (de) Mikromechanisches Bauteil mit reduziertem Verschleiss
EP0464536A2 (de) Verfahren zur Speicherung von Informationseinheiten im Nanometerbereich
DE10237283A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zum Reinigen von Sondenkartenkontakten
DE69102111T2 (de) Cantilever zum Gebrauch in einem Atomkraftmikroskop und Verfahren zu dessen Herstellung.
EP0950190B1 (de) Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Halbleiteranordnung
DE69401243T2 (de) Feldemissionsvorrichtung mit Kleinradiuskathode und Herstellungsverfahren dieser Vorrichtung
DE3008498C2 (de)
DE112004001881B4 (de) Verfahren zur Herstellung von Nanodrähten
DE69317100T2 (de) Informationsaufzeichnungs- und -Wiedergabegerät und Herstellungsverfahren eines dazu verwendeten Gleiters
DE69519344T2 (de) Unter Feldeffekt-Emission arbeitende Elektronen emittierende Vorrichtung und Herstellungsverfahren dazu
US6088320A (en) Micro-mechanically fabricated read/write head with a strengthening shell on the tip shaft
WO1996035212A1 (de) Mikromechanisch gefertigter schreib-/lesekopf für ladungsspeicherelemente

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 19961030

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): DE FR GB

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 19981101