WO1999008099A1 - Verfahren zum auftragen oder abtragen von materialien - Google Patents

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WO1999008099A1
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microtip
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Hans Wilfried Peter Koops
Johannes Kretz
Hubert BRÜCKL
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Institut für Festkörper- und Werkstofforschung Dresden e.V.
Deutsche Telekom Ag
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    • Y10S977/888—Shaping or removal of materials, e.g. etching

Definitions

  • the invention relates to a method for applying or removing materials onto or from substrates using a scanning probe microscope (SXM) operated at atmospheric pressure, which can be a scanning tunneling microscope (STM), an atomic force microscope (SFM) or a scanning near field microscope (SNOM).
  • SXM scanning probe microscope
  • STM scanning tunneling microscope
  • SFM atomic force microscope
  • SNOM scanning near field microscope
  • the prior art has a number of disadvantages. It is particularly disadvantageous that work must be carried out under vacuum conditions, which requires a lot of equipment and time. Another disadvantage is the generally insufficient conductivity of the landfills due to the high carbon content. Since the known procedure is a serial procedure, it is a relatively slow procedure. In addition, only small areas can be written on, typically a maximum of 100 ⁇ m x 100 ⁇ . The high probe consumption is also disadvantageous.
  • the invention has for its object to provide a method which an effective application or removal of Allows materials on or from substrates using a scanning probe microscope operated at atmospheric pressure.
  • the method is characterized in that the substrate is placed in a trough of a scanning probe microscope (SXM) located on the xy table, which can be a scanning tunneling microscope, an atomic force microscope or a scanning near field microscope, and the trough with a liquid and / or a gaseous one Medium is filled up to such a level that the top of the substrate is covered with a thin layer consisting of at least one monolayer of the medium. Then, to deposit a structured precipitate from the medium or to structure the surface of the substrate, the micro tip of the SXM is immersed in the layer and fed with an electrical voltage or with voltage pulses.
  • SXM scanning probe microscope
  • organometallic or other inorganic and organic compounds are used as the liquid and / or gaseous medium.
  • the supply of the medium can be controlled in terms of quantity. This can expediently be carried out using the differences in gravity and density existing between the surrounding air and the medium, or by means of a pump and a controlled valve.
  • thermoelectric sensor array or a reflection interferometer consisting of light source, beam guide, line detector and evaluation electronics, or a total reflector with a cell-shaped detector can expediently be used to monitor the medium level.
  • the medium can be changed during the generation of the structured precipitation or the structuring etching.
  • etching products obtained during the structuring etching are expediently removed from the surface of the substrate with a rinsing medium.
  • one or more SXM probe cantilevers with a plurality of microtips can be used to apply or remove larger structural fields and for the three-dimensional construction of nanostructures, the simultaneous use of all of them by means of a resistor built into each microtip or by active current control of the individual microtip Micro tips is guaranteed.
  • test probe When using an SXM probe cantilever with several micro tips, a test probe is also used, which is used to guide the position of this SXM probe cantilever while applying or removing the material, for viewing larger structural fields and / or for three-dimensional processing of nanostructures .
  • Me 2 Au (tfac) dimethyl-gold-trifluoro-acetylacetonate
  • Mo (CO) 6 molybdenum hexacarbonyl
  • Cu (hfac) 2 copper dihexafluoroacetylacetonate
  • CVD sources in solid or liquid form can be used.
  • inorganic compound according to the invention can TiI 4 (Titanjodit), TiCl 4 (titanium chloride) or other inorganic CVD sources in solid or liquid form can be used.
  • etching away can be used as medium XeF 2 (xenon difluoride), TiI 4 (Titanjodit), TiCl 4 (titanium chloride), WF 6 (tungsten hexafluoride) or other highly fluorinated or halogenated compounds are used.
  • the invention also relates to the use of the method for characterizing the geometry and renewal or the production of microtips of SXM cantilevers, a tip electrically arranged with a conductor track being arranged in the trough on the substrate, with the aid of which the geometry of the microtip is scanned using a scanning microscope or with the aid of a renewal or the production of a microtip is carried out by supplying the contacted tip with an electrical voltage or with voltage pulses for depositing a precipitate from the medium onto the SXM cantilever probes.
  • the invention also relates to the use of the method for storing information, for reading information and for deleting information, the method being used to apply molecules or molecule clusters, which are suitable as information carriers, for information storage, for reading, to the substrates Information is detected and removed or restructured to delete information.
  • the process according to the invention is characterized in particular by the fact that there is no need to work under complex vacuum conditions. It is also advantageous that good conductive landfills can be used and that different processes such as deposition and etching can be carried out in a simple manner by quickly changing the precursors. Another advantage is that worn out probes can be regenerated using the same method when the method is carried out.
  • Fig. 7 a flow chart of the work steps for the characterization of microtips and for repair a read / write erase head of a device for information storage, which works on the basis of the inventive method.
  • the working arrangement shown in FIG. 1 of a conventional scanning tunneling microscope operated at atmospheric pressure has one of three piezomotors that can be moved in the x, y and z directions and has one or more cantilevers 2 with one or more at the lower end Bears microtips with which a substrate 3, which is held on a substrate holder 4, can be scanned.
  • the substrate holder 4 is fastened on the x-y table 5 movable in the x-y direction.
  • Such a scanning tunneling microscope is controlled by signal electronics (not shown in the drawing) with image memory, image reproduction and processing as well as with tip movement and sample movement.
  • the electronics additionally have one or more channels with which the micro-tips can be guided in accordance with a computer-generated template and the various micro-tips can be acted upon with different constant or pulsed and pulsed voltages in the process of adjusted height and duration for imaging, coating or etching of the substrate .
  • the substrate 3 is on the substrate holder 4 in a trough 6, which is attached to the xy table 5 of a scanning probe microscope.
  • medium 7 is introduced as diethyl gold acetylacetonate, which consists of heavy organometallic molecules with a molecular weight of 380 and a low vapor pressure of 40 mTorr.
  • the micro tip of the cantilever 2, with which water ions are emitted, is immersed in this layer above the substrate 3.
  • the impact of the ions causes the vapor molecules adsorbed on the surface of the substrate 3 to be broken up, and in the case of deposition a permanent deposit is formed on the substrate 3.
  • an etched product is formed which, by appropriate selection of an etching vapor component, is as gaseous as possible so that it can be removed by means of a steam movement.
  • the substrate 3 and the medium 7 can be brought to the same or different temperature. This can advantageously be realized by heating elements under the substrate 3 and with a separately arranged medium reservoir.
  • a level measurement of the steam level is advantageously used to determine the end points of the complete steam change. According to FIG. 3, the level measurement can be carried out:
  • a two-beam interference arises when the light beam 11 emanating from a light source 10 is partially reflected on the vapor layer and partially penetrates into the vapor layer and is then reflected on the lower edge of the vapor layer, namely on the bottom of the trough 6 or on the substrate 3 and with the exit interferes with the light beam reflected on the surface.
  • the interference pattern is created by superimposing the light beams 12, for example with the aid of a lens 14 on a detector 13 or screen mounted in its focal plane. The course of the intensity of the interference pattern can then be used to infer the layer thickness of the vapor layer.
  • a line camera with computer readout is advantageously used as the spatially resolving detector 13.
  • an equalizing steam quantity 20 is conveyed into or out of the trough 6 via a pipe 17 and a valve 18 by means of a piston 21, which is actuated in a cylinder 23 by a servomotor 22.
  • the valve position, the piston position and the temperature of the substrate 3 can advantageously be set in a computer-controlled manner.
  • this device or a similar compensation volume control which is constructed according to FIG. 3 with a bellows 24 and a servomotor 22, the steam for deposition or for etching can be controlled and quickly removed and supplied, and it can also be from one to another Media 7 can be changed.
  • the three-dimensional structure of nanostructures uses a plurality of micro tips 29 which can be addressed independently via separate conductor tracks 30. This enables a separate control, for example, to achieve a flat, point-by-point structured assignment 31 and etching in write fields on a substrate 28 with simultaneous guidance by a microtip 26 operated in a reading mode on a conductor track 25, with which, for example, a predetermined track 27 by real-time signal evaluation and Position correction is tracked.
  • structured deposits can be generated in one position at the same time.
  • microtips For the production of such microtips with the method of nanolithography with deposition in the corpuscular beam device, separate addressable microtips with a distance of 100 nm can be built up in a line array and also in a square array. Since the ion-emitting microtips from the Taylor-Cone are formed from water at the end of the tip, the microtips placed determine only the location of the deposition. By specifying the voltage, it is also possible to deposit and reproduce the pattern of the distribution of the present micro tips with their spacing with micro tips at the same voltage. If necessary, a resistor that limits the emission current must be built into the base of the microtip per microtip in order to allow all microtips to emit ions evenly at the same voltage.
  • a tip array manufactured in this way can be advantageous for the production of photonic crystals and others lattice-like structures, such as computer generated holograms.
  • material can also be removed by means of etching. This is advantageous for cleaning the substrate surfaces and micro tips to be covered and for removing materials that have already been deposited.
  • xenon difluoride etches silicon via the fluorine it contains when ion is excited and generates gaseous etching products.
  • FIG. 5 An arrangement suitable for etching, which is operated at atmospheric pressure, is shown in FIG. 5.
  • the etching gas flows through depending on the height difference between trough 6 and trough 32 the connecting hose and thus moves the vapor surrounding the microtip. This moves the etched products away from the microtip.
  • the etching gas component can be supplied or discharged through the connected compensating piston 34 with reservoir and valve in order to terminate the etching process and to allow it to run under computer control.
  • etchants are also solid etchants which have a high vapor pressure and contain heavy atoms.
  • the working arrangement shown in FIG. 6 for an in-situ repair of a microtip of a scanning probe microscope shows a microtip 39 which has been presented and contacted by means of a conductor track 38.
  • the conductor track 38 is located on a substrate holder 36.
  • the microtip 39 is surrounded by a high-resistance proximity deposit 37 , which makes it possible to order the highest point of the micro tip 39.
  • To produce a new microtip stop at this point with a working tip 40 and place a tip 41 on the working tip 40 with a short pulse.
  • the microtip 39 is then scanned again and the process is repeated when the pulse duration changes , the voltage, the vapor pressure and the vapor composition by changing the partial pressure and the material composition of the medium until the desired fine or coarse tip radius has been produced at the tip 41.
  • the method according to the invention can also be used for storing information by deposition of molecules and molecule clusters and for deleting information by removing or restructuring molecules by means of a single microtip or by means of a multi-tip arrangement.
  • the micro tips are guided locally through an additional test tip. Reading takes place with the same micro tip, but at a voltage below that Response threshold for writing or erasing.
  • the micro-tip arrangement for the multi-tip write, read and erase technology can be produced internally by deposition lithography.
  • this method enables the read / write erase head to be repaired in situ, and it can be routinely checked and repaired in a preprogrammed manner in order to maintain the performance of the read / write erase memory device.
  • FIG. 7 shows the flow diagram for the automatic sequence of characterization and repair for a read / write erase head on a device for information storage, which operates on the basis of the method according to the invention.

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, welches ein effektives Auftragen oder Abtragen von Materialien auf beziehungsweise von Substraten unter Verwendung eines bei Atmosphärendruck betriebenen Rastersondenmikroskops ermöglicht. Erfindungsgemäß wird das Substrat in einen auf dem x-y-Tisch befindlichen Trog eines Rastersondenmikroskops (SXM) eingelegt und dieser mit einem flüssigen und/oder einem gasförmigen Medium bis zu einem solchen Pegel aufgefüllt, daß die Oberseite des Substrats mit einer dünnen, aus mindestens einer Monolage des Mediums bestehenden Schicht bedeckt ist. Danach wird zum Deponieren eines strukturierten Niederschlags aus dem Medium oder zum strukturierenden Abätzen der Oberfläche des Substrats die Mikrospitze des SXM in die Schicht eingetaucht und mit einer elektrischen Spannung oder mit Spannungspulsen gespeist. Das Verfahren ist zum Auftragen oder Abtragen von Materialien auf beziehungsweise von Substraten anwendbar. Außerdem ist das Verfahren auch zur Charakterisierung der Geometrie und zur Erneuerung oder der Herstellung von Mikrospitzen von SXM-Cantilevern sowie zur Speicherung von Informationen, zum Lesen von Informationen und zum Löschen von Informationen einsetzbar.

Description

Verfahren zum Auftragen oder Abtragen von Materialien
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auftragen oder Abtragen von Materialien auf beziehungsweise von Substraten unter Verwendung eines bei Atmosphärendruck betriebenen Rastersondenmikroskops (SXM) , das ein Rastertunnelmikroskop (STM) , ein Rasterkraftmikroskop (SFM) oder ein Rasternahfeldmikroskop (SNOM) sein kann.
Stand der Techni
Es ist bereits bekannt, Rastertunnelmikroskope zur Lithographie einzusetzen. Dabei werden vorgelegte Lackschichten oder Metallflächen an Luft durch Ionen oder Elektronen belichtet oder oxidiert und so feine Strukturen erzeugt (Matsumoto, M. Ishii, K. Segawa: J. Vac . Sei. Technol. B 14(2), 1331 (1996); E.A. Dobisz, C.R.K. Marrian: Appl. Phys. Lett. 58(22), 2526 (1991)). Bei ausreichendem Wassergehalt in der U gebungsluft, das heißt bei einer Feuchte über 15 % und je nach der Polarität der Spitze, erfolgt die Belichtung mit Hydronium- oder Hydroxyl-Ionen
(H.W.P. Koops, E.A. Dobisz, J. Urban: J. Vac. Sei. Technol. B
15(4), 1369 (1997); E.A. Dobisz, H.W.P. Koops, F.K. Perkins :
Appl. Phys. Lett. 68(22), 3653 (1996); A.R. Anway, Field
Ionization of Water, The Journal of Chemical Physics, Vol.50, (1969) 2012-2021). In trockener Umgebungsluft können mit Elektronen Belichtungen erzielt werden.
Es ist auch bekannt, Rastertunnelmikroskope zum Auftragen von
Material auf einem Substrat einzusetzen. Hierbei werden auf dem Substrat Atome des Substrats verlagert, oder der Materialauftrag erfolgt durch Übertragen von Sondenmaterial mittels Feldverdampfung (R. Gomer, IBM J. Res. Develop. 30, 428 (1986) ) .
Bekannt ist es auch, Rastertunnelmikroskope für hochauflösende Strukturierungsprozesse und für Informationsspeicherungsprozesse einzusetzen (S.C. Minne, Ph. Flueckinger, H.T. Soh, C.F. Quate: J. Vac. Sei. Technol. B 13, 1380 (1995) ) .
Es ist auch bereits bekannt, Rastertunnelmikroskope zur Depositionslithographie unter Vakuumbedingungen zu betreiben. Hierbei wird aus einer Knudsen Zelle, das heißt, einem Reservoir mit Drosselung des Zulaufes durch eine Kanüle oder Düse, Material zugeführt (M.A. McCord, D.P. Kern, T.H.P.
Chang: J. Vac. Sei. Technol. B 6, 1877 (1988); E.E. Ehrichs,
W.F. Smith, A.L. DeLozanne: Ultramicroscopy 42-44, 1438
(1992) ) . Eingesetzt werden organometallische Verbindungen und
Substrate mit unvorbereiteten Oberflächen.
Dem Stand der Technik haftet eine Reihe von Nachteilen an. Besonders nachteilig ist, daß unter Vakuumbedingungen gearbeitet werden muß, was einen hohen apparativen und zeitlichen Aufwand erfordert. Nachteilig ist auch die wegen dem großen Kohlenstoffgehalt meist unzureichende Leitfähigkeit der Deponate. Da die bekannte Verfahrensweise ein serielles ' Verfahren ist, handelt es sich um ein relativ langsames Verfahren. Außerdem sind nur kleine Flächen beschreibbar, typischerweise maximal 100 um x 100 μ . Nachteilig ist auch der hohe Sondenverbrauch.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, welches ein effektives Auftragen oder Abtragen von Materialien auf beziehungsweise von Substraten unter Verwendung eines bei Atmosphärendruck betriebenen Rastersondenmikroskops ermöglicht .
Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat in einen auf dem x-y-Tisch befindlichen Trog eines Rastersondenmikroskops (SXM) , das ein Rastertunnel ikroskop, ein Rasterkraftmikroskop oder ein Rasternahfeldmikroskop sein kann, eingelegt wird und der Trog mit einem flüssigen und/oder einem gasförmigen Medium bis zu einem solchen Pegel aufgefüllt wird, daß die Oberseite des Substrats mit einer dünnen, aus mindestens einer Monolage des Mediums bestehenden Schicht bedeckt ist. Danach wird zum Deponieren eines strukturierten Niederschlags aus dem Medium oder zum strukturierenden Abätzen der Oberfläche des Substrats die Mikrospitze des SXM in die Schicht eingetaucht und mit einer elektrischen Spannung oder mit Spannungspulsen gespeist.
Als flüssiges und/oder gasförmiges Medium werden erfindungsgemäß organometallische oder andere anorganischen und organischen Verbindungen verwendet.
Erfindungsgemäß kann die Zufuhr des Mediums mengenmäßig gesteuert vorgenommen werden. Dies kann zweckmäßig unter Ausnutzung von zwischen der umgebenden Luft und dem Medium bestehenden Schwere- und Dichteunterschieden oder mittels Pumpe und gesteuertem Ventil durchgeführt werden.
Für die Überwachung des Mediumpegels kann zweckmäßigerweise ein thermoelektrisches Fühlerarray oder ein Reflexionsinterferometer, bestehend aus Lichtquelle, Strahlführung, Zeilendetektor und Auswerteelektronik, oder ein Totalreflektor mit zellenförmigem Detektor verwendet werden. Erfindungsgemäß kann das Medium während dem Erzeugen des strukturierten Niederschlags oder dem strukturierenden Abätzen gewechselt werden.
Zweckmäßigerweise werden die während dem strukturierenden Abätzen anfallenden Ätzprodukte mit einem Spülmedium von der Oberfläche des Substrats abtransportiert.
Zum Auftragen oder Abtragen größerer Strukturfelder und zum dreidimensionalen Aufbau von Nanostrukturen am SXM können erfindungsgemäß eine oder mehrere SXM-Sonden-Cantilever mit mehreren Mikrospitzen eingesetzt werden, wobei durch einen in jede Mikrospitze eingebauten Widerstand oder durch eine aktive Stromsteuerung der einzelnen Mikrospitze der gleichzeitige Einsatz aller Mikrospitzen gewährleistet wird.
Beim Anwenden eines SXM-Sonden-Cantilevers mit mehreren Mikrospitzen zusätzlich eine Prüfspitze verwendet wird, die zur Positionsführung für diesen SXM-Sonden-Cantilever während des Auf- oder Abtragens des Materials, zum Betrachten größerer Strukturfelder und/oder zum dreidimensionalen Bearbeiten von Nanostrukturen eingesetzt wird.
Als organometallische Verbindung können nach der Erfindung Me2Au(tfac) (Dimethyl-gold-trifluoro-acetylacetonat) ,
Me2Au(hfac) (Dimethyl-gold-hexafluoro-acetylacetonat) ,
Me2Au(acac) (Dimethyl-gold-acetylacetonat) ,
CpPt (CH3) 3 (Cyclopentadienyl-platin-trimethyl) ,
Mo (CO) 6 (Molybdänhexacarbonyl) , Cu(hfac)2 (Kupfer-dihexafluoro-acetylacetonat) oder CVD-Quellen in fester oder flüssiger Form verwendet werden.
Als anorganische Verbindung können erfindungsgemäß TiJ4 (Titanjodit) , TiCl4 (Titanchlorid) oder andere anorganische CVD-Quellen in fester oder flüssiger Form verwendet werden.
Im Falle des Abätzens können als Medium XeF2 (Xenondifluorid) , TiJ4 (Titanjodit) , TiCl4 (Titanchlorid), WF6 (Wolframhexafluorid) oder andere hochfluorierte oder halogenierte Verbindungen verwendet werden.
Gegenstand der Erfindung ist auch die Anwendung des Verfahrens zur Charakterisierung der Geometrie und Erneuerung oder der Herstellung von Mikrospitzen von SXM-Cantilevern, wobei im Trog auf einem Substrat eine mit einer Leiterbahn elektrisch kontaktierte Spitze angeordnet wird, mit deren Hilfe die Geometrie der Mikrospitze rastermikroskopisch abgetastet wird, oder mit deren Hilfe eine Erneuerung oder die Herstellung einer Mikrospitze dadurch vorgenommen wird, daß die kontaktierte Spitze mit einer elektrischen Spannung oder mit Spannungspulsen zum Deponieren eines Niederschlags aus dem Medium auf die SXM-Sonden Cantilever gespeist wird.
Gegenstand der Erfindung ist auch die Anwendung des Verfahrens zur Speicherung von Informationen, zum Lesen von Informationen und zum Löschen von Informationen, wobei mit dem Verfahren auf den Substraten Moleküle oder Molekül- Cluster, die sich als Informationsträger eignen, zur Informationsspeicherung aufgetragen, zum Lesen von Informationen detektiert und zum Löschen von Informationen abgetragen oder umstrukturiert werden.
Hierbei können erfindungsgemäß mehrere Spitzen in gleicher aber auch in voneinander unabhängiger Weise eingesetzt, repariert oder auch gereinigt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich insbesondere dadurch aus, daß nicht unter aufwendigen Vakuumbedingungen gearbeitet werden muß. Vorteilhaft ist auch, daß gut leitfähige Deponate verwendbar sind und daß durch ein schnelles Wechseln der Precursoren in einfacher Weise nacheinander unterschiedliche Prozesse, wie Deposition und Atzen, durchführbar sind. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß bei der Durchführung des Verfahrens verschlissenen Sonden mit dem gleichen Verfahren wieder regeneriert werden können.
Nachstehend ist die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen in schematischer Darstellungsweise:
Fig. 1: die Arbeitsanordnung bei einem herkömmlichen Rastertunnelmikroskop,
Fig. 2: eine prinzipielle Arbeitsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung eines Rastersondenmikroskops,
Fig. 3: Anordnungen zur Niveauregulierung und zum Wechseln der Medien zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens an einem Rastersondenmikroskop,
Fig. 4: eine Anordnung mit mehreren Mikrospitzen und einer Prüfspitze zur Durchführung des Verfahren während einer Deposition oder Ätzung an größeren Strukturfeldern und zum dreidimensionalen Aufbau von Nanostrukturen,
Fig. 5: eine Anordnung zur Niveauregulierung und zum Wechseln der Medien zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens beim Ätzen mit einem Rastersondenmikroskop,
Fig. 6: die Arbeitsanordnung für eine in-situ-Reparatur einer Mikrospitze eines Rastersondenmikroskops,
Fig. 7: ein Flußdiagramm der Arbeitsstufen für die Charakterisierung von Mikrospitzen und für die Reparatur eines Schreib-Lese-Löschkopfes eines Gerätes zur Informationsspeicherung, welches auf der Basis des erfindungsgemäßen Verfahrens arbeitet.
Die in Fig. 1 gezeigte Arbeitsanordnung eines herkömmlichen, bei Atmosphärendruck betriebenen Rastertunnelmikroskops, weist eine von drei Piezomotoren in der x-, y-, und z- Richtung bewegbare Sonde 1 auf, die am unteren Ende einen oder mehrere Cantilever 2 mit einer oder mehreren Mikrospitzen trägt, mit denen ein Substrat 3, das auf einem Substrathalter 4 gehaltert ist, abgetastet werden kann. Der Substrathalter 4 ist auf dem in x-y-Richtung beweglichen x-y- Tisch 5 befestigt.
Ein derartiges Rastertunnelmikroskop wird von einer in der Zeichnung nicht dargestellten Signalelektronik mit Bildspeicher, Bild-Wiedergabe und -Verarbeitung sowie mit Spitzenbewegung und Probenbewegung gesteuert. Die Elektronik besitzt zusätzlich einen oder mehrere Kanäle, mit welchen entsprechend einer rechnererstellten Vorlage die Mikrospitzen geführt und zur Abbildung, Beschichtung oder Ätzung des Substrats die verschiedenen Mikrospitzen mit verschiedenen konstanten oder auch zeitlich veränderlichen und gepulsten Spannungen in dem Prozeß angepaßter Höhe und Dauer beaufschlagt werden können.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Arbeitsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens befinden sich das Substrat 3 auf dem Substrathalter 4 in einem Trog 6, der auf dem x-y-Tisch 5 eines Rastersondenmikroskops befestigt ist. In den Trog 6 wird bei Atmosphärendruck als Medium 7 Di ethylgoldacetylacetonat eingebracht, das aus schweren organometallischen Molekülen mit einem Molekulargewicht von 380 besteht und einen geringen Dampfdruck von 40 mTorr besitzt. Dadurch verdrängt der sich bildende schwere Dampf 9 des Mediums 7 die Luft (Molekulargewicht 02=32) am Boden des Troges 6 und beschichtet im Laufe der Zeit den Boden des Troges 6 bis zu einer Hohe 8, bei der einige Monolagen des Dampfes 9 das Substrat 3 überziehen. In diese Schicht über dem Substrat 3 taucht die Mikrospitze des Cantilevers 2 ein, mit der Wasserionen emittiert werden. Durch den Einschlag der Ionen werden die auf der Oberflache des Substrats 3 adsorbierten Dampfmolekule zerschlagen, und im Fall der Deposition wird ein bleibendes Deponat auf dem Substrat 3 gebildet.
Im Fall des Ätzens entsteht ein Atzprodukt, das durch entsprechende Auswahl einer atzenden Dampfkomponente möglichst gasformig ist, damit es mittels einer Dampfbewegung abtransportiert werden kann.
Zur Prozeßsteuerung kann es vorteilhaft sein, das Substrat 3 und das Medium 7 auf gleiche oder verschiedene Temperatur zu bringen. Dies kann vorteilhaft durch Heizelemente unter dem Substrat 3 und mit einem getrennt angeordneten Medium- Reservoir realisiert werden.
Zur Bestimmung der Endpunkte des vollständigen Dampfwechsels wird mit Vorteil eine Niveaumessung des Dampfpegels eingesetzt. Gemäß Fig. 3 kann die Niveaumessung ausgeführt werden:
- durch Messung der Wärmeleitfähigkeit an miniaturisiert m verschiedenen Hohen an der Innenseite des Troges 6 aufgebrachten Widerstanden 15 einer Wheatstoneschen Meßbruckenschaltung 16 oder,
- bei höherer Präzision, mittels einer Lichtquelle 10 unter Ausnutzung der Totalreflexion am Übergang zum dichteren Medium oder
- durch Auswertung der Zweistrahlinterferenz. Eine Zweistrahlinterferenz entsteht, wenn der von einer Lichtquelle 10 ausgehende Lichtstrahl 11 teilweise an der Dampfschicht reflektiert wird und teilweise in die Dampfschicht eindringt und dann an der Unterkante der Dampfschicht, nämlich am Boden des Troges 6 oder auf dem Substrat 3 reflektiert wird und beim Austritt mit dem an der Oberfläche reflektierten Lichtstrahl interferiert. Das Interferenzmuster entsteht durch Überlagerung der Lichtstrahlen 12, zum Beispiel mit Hilfe einer Linse 14 auf einem in deren Brennebene angebrachten Detektor 13 oder Schirm. Aus dem Verlauf der Intensität des Interferenzmusters kann dann auf die Schichtdicke der Dampfschicht geschlossen werden. Bei Messung mit Totalreflexion und bei der Auswertung der Intensität der Interferenz wird mit Vorteil eine Zeilenkamera mit Rechnersauslesung als ortsauflösendem Detektor 13 eingesetzt.
Um den Prozeß der Dampfzufuhr zu beschleunigen ist es vorteilhaft - wie in Figur 3 dargestellt - am Trog 6 mindestens einem Reservoir 19 für das Medium vorzusehen. Hierzu wird eine Ausgleichsdampfmenge 20 über ein Rohr 17 und ein Ventil 18 mittels eines Kolbens 21, der in einem Zylinder 23 durch einen Stellmotor 22 betätigt wird, in oder aus dem Trog 6 gefördert. Dabei können mit Vorteil die Ventilstellung, der Kolbenstand und die Temperatur des Substrats 3 rechnergesteuert eingestellt werden. Mit dieser Vorrichtung oder einer ähnlichen Ausgleichsvolumen-Steuerung, die gemäß Fig. 3 mit einem Federbalg 24 und einem Stellmotor 22 aufgebaut ist, kann der Dampf zur Deposition oder zum Ätzen gesteuert und schnell entfernt und zugeführt werden, und es kann auch von einem zu weiteren Medien 7 gewechselt werden.
Bei der in Fig. 4 dargestellten Anordnung zur Durchführung des Verfahren an größeren Strukturfeldern und zum dreidimensionalen Aufbau von Nanostrukturen sind mehrere über separate Leiterbahnen 30 unabhängig ansprechbare Mikrospitzen 29 eingesetzt. Das ermöglicht eine getrennte Ansteuerung zum Beispiel zur Erzielung einer flächigen punktweisen strukturierten Belegung 31 und Ätzung in Schreibfeldern auf einem Substrat 28 bei gleichzeitiger Führung durch eine an einer Leiterbahn 25 im Lesemodus betriebene Mikrospitze 26, mit der beispielsweise eine vorgegebene Spur 27 durch Echtzeit-Signalauswertung und Positionskorrektur verfolgt wird.
Bei Anwendung eines beispielsweise quadratischen Spitzenarrays mit 100 getrennt ansprechbaren und auslesbaren Mikrospitzen 29, die in einem festen oder variablen Rastermaß angeordnet sind, können damit in einer Position strukturierte Deponate gleichzeitig erzeugt werden.
Zur Fertigung derartiger Mikrospitzen mit dem Verfahren der Nanolithographie mit Deposition im Korpuskularstrahlgerät können getrennte ansprechbare Mikrospitzen mit 100 nm Abstand in einem Linienarray und auch in einem quadratischen Array aufgebaut werden. Da die Ionen emittierende Mikrospitzen aus dem Taylor-Cone aus Wasser am Ende der vorgelegten Spitze gebildet werden, legen die vorgelegten Mikrospitzen durch ihre Position nur den Ort der Deposition fest. Durch Vorgabe der Spannung gelingt es auch mit auf gleicher Spannung befindlichen Mikrospitzen das Muster der Verteilung der vorliegenden Mikrospitzen mit ihren Abständen zu deponieren und zu reproduzieren. Gegebenenfalls muß pro Mikrospitze ein den Emissionsstrom begrenzender Widerstand in den Fuß der Mikrospitze eingebaut werden, um alle Mikrospitzen bei gleicher Spannung gleichmäßig Ionen emittieren zu lassen.
Ein so gefertigter Spitzenarray kann mit Vorteil für die Fertigung von Photonischen Kristallen und andere gitterartigen Strukturen, wie rechnererzeugten Hologrammen eingesetzt werden.
Für die Informationsspeicherung bedeutet das bei 10 kHz Grenzfrequenz der Cantilever eine mögliche Lesegeschwindigkeit von 1 Mbit/s. Ist eine Informationseinheit in 0,1 ms deponiert, so ist das auch die Schreibgeschwindigkeit der Anordnung. Derzeit wird 1 ms als Deponierzeit benötigt. Damit ist für die Informationsspeicherung eine Schreibgeschwindigkeit von 100 Kbit/s erreichbar.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann auch Material mittels Ätzen abgetragen werden. Dies ist vorteilhaft für die Reinigung der zu belegenden Substratoberflachen und Mikrospitzen sowie zum Entfernen von bereits deponierten Materialien. Beispielsweise ätzt Xenondifluorid über das enthaltene Fluor bei Ionenanregung Silizium und erzeugt gasförmige Ätzprodukte.
Eine für das Ätzen geeignete Anordnung, die bei Atmosphärendruck betrieben wird, ist in Fig. 5 dargestellt. Durch eine entsprechende Gasdampfführung und den Einsatz eines weiteren Troges 32, der über einen flexiblen Verbindungsschlauch 33 an den Trog 6 des Rastersondenmikroskops angeschlossen und relativ zu diesem in der angegebenen Bewegungsrichtung 35 verstellbar ist, strömt das Ätzgas je nach Höhenunterschied zwischen Trog 6 und Trog 32 durch den Verbindungsschlauch und bewegt so den die Mikrospitze umgebenden Dampf. Damit werden die Ätzprodukte von der Mikrospitze wegbewegt. Durch den angeschlossenen Ausgleichskolben 34 mit Reservoir und Ventil kann die Ätzgaskomponente zu- oder abgeführt werden, um den Ätzprozeß zu terminieren und rechnergesteuert ablaufen zu lassen. Mit dieser Anordnung, die mit in der Zeichnung nicht dargestellten Mitteln zur Niveaumessung ausgestattet ist und die rechnergesteuert betrieben werden kann, ist es möglich, durch Dampffluß einen Materialabtransport der Reaktionsprodukte beim Ätzen des Substrates oder der Mikrospitzen zu erreichen. Als Ätzmittel eignen sich neben dem obengenannten Xenondifluorid-Dampf auch solche festen Ätzmittel, die einen hohen Dampfdruck besitzen und schwere Atome beinhalten.
Die in Fig. 6 dargestellte Arbeitsanordnung für eine in-situ- Reparatur einer Mikrospitze eines Rastersondenmikroskops zeigt eine vorgelegte, mittels einer Leiterbahn 38 kontaktierte Mikrospitze 39. Die Leiterbahn 38 befindet sich auf einem Substrathalter 36. Die Mikrospitze 39 ist umgeben von einem hochohmigen Annäherungsdeponat 37, das es ermöglicht den höchsten Punkt der Mikrospitze 39 zu orden. Zur Herstellung einer neuen Mikrospitze hält man über diesem Punkt mit einer Arbeitsspitze 40 an und setzt mit einem kurzen Puls eine Spitze 41 auf die Arbeitsspitze 40. Mit dieser neuen Spitze 41 tastet man dann die Mikrospitze 39 wieder ab und wiederholt das Verfahren bei Änderung der Pulsdauer, der Spannung, des Dampfdruckes und der DampfZusammensetzung durch Änderung des Partialdruckes und der Materialzusammensetzung des Mediums bis man den gewünschten feinen oder groben Spitzenradius an der Spitze 41 erzeugt hat.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch zur Speicherung von Information durch Deposition von Molekülen und Molekül- Clustern und zum Löschen von Information durch Entfernen oder Umstrukturieren von Molekülen mittels einer einzelnen Mikrospitze oder mittels einer Mehrspitzenanordnung genutzt zu werden. Die Mikrospitzen werden dabei lokal durch eine zusätzliche Prüfspitze geführt. Das Lesen erfolgt mit derselben Mikrospitze, aber bei einer Spannung unterhalb der Reaktionsschwelle für das Schreiben oder das Löschen. Die Mikrospitzenanordnung für die Mehrspitzen-Schreib-, Lese- und Lösch-Technik kann dabei durch Depositionslithographie intern hergestellt werden. Außerdem ist mit diesem Verfahren der Schreib-Lese-Löschkopf in-situ reparierbar, und er kann zur Erhaltung der Performance des Schreib-Lese-Lösch-Speicher- Gerätes vorprogrammiert routinemäßig geprüft und repariert werden.
Das Flußdiagramm für den automatischen Ablauf der Charakterisierung und Reparatur für einen Schreib-Lese- Löschkopf an einem Gerät zur Informationsspeicherung, welches auf der Basis des erfindungsgemäßen Verfahrens arbeitet, gibt Fig. 7 wieder.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Auftragen oder Abtragen von Materialien auf bzw. von Substraten unter Verwendung eines bei Atmosphärendruck betriebenen Rastersonden-mikroskops (SXM) , das ein Rastertunnelmikroskop (STM) , ein Rasterkraftmikroskop (SFM) oder ein Rasternahfeldmikroskop (SNOM) sein kann, wobei das Substrat in einen auf dem x-y-Tisch des SXM befindlichen Trog eingelegt und dieser mit einem flüssigen und/oder einem gasförmigen Medium bis zu einem solchen Pegel aufgefüllt wird, daß die Oberseite des Substrats mit einer dünnen, aus mindestens einer Monolage des Mediums bestehenden Schicht bedeckt ist, und daß danach zum Deponieren eines strukturierten Niederschlags aus dem Medium oder zum strukturierenden Abätzen der Oberfläche des Substrats die Mikrospitze des SXM in die Schicht eingetaucht und mit einer elektrischen Spannung oder mit Spannungspulsen gespeist wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als flüssiges und/oder gasförmiges Medium organometallische oder andere anorganischen und organischen Verbindungen verwendet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr des Mediums mengenmäßig gesteuert erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mengenmäßige Steuerung des Mediums zum Substrat unter Ausnutzung von zwischen der umgebenden Luft und dem Medium bestehenden Schwere- und Dichteunterschiede vorgenommen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mengenmäßige Steuerung des Mediums zum Substrat mittels Pumpe und gesteuertem Ventil vorgenommen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Überwachung des Mediumpegels ein thermoelektrisches Fühlerarray oder ein Reflexionsinterferometer, bestehend aus Lichtquelle, Strahlführung, Zeilendetektor und Auswerteelektronik, oder ein Totalreflektor mit zellenförmigem Detektor verwendet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium während dem Erzeugen des strukturierten Niederschlags oder dem strukturierenden Abätzen gewechselt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die während dem strukturierenden Abätzen anfallenden Ätzprodukte mit einem Spülmedium von der Oberfläche des Substrats abtransportiert werden.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Auftragen oder Abtragen größerer Strukturfelder und zum dreidimensionalen Aufbau von Nanostrukturen am SXM eine oder mehrere SXM-Sonden-Cantilever mit mehreren Mikrospitzen eingesetzt werden, wobei durch einen in jede Mikrospitze eingebauten Widerstand oder durch eine aktive Stromsteuerung der einzelnen Mikrospitze der gleichzeitige Einsatz aller Mikrospitzen gewährleistet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß beim Anwenden eines SXM-Sonden-Cantilevers mit mehreren Mikrospitzen zusätzlich eine Prüfspitze verwendet wird, die zur Positionsführung für diesen SXM-Sonden-Cantilever während des Auf- oder Abtragens des Materials, zum Betrachten größerer Strukturfelder und/oder zum dreidimensionalen Bearbeiten von Nanostrukturen eingesetzt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als organometallische Verbindung Me2Au(tfac), Me2Au(hfac),
Me2Au(acac), CpPt(CH3)3, Mo(CO)6, Cu(hfac)2 oder CVD-Quellen in fester oder flüssiger Form verwendet werden.
12. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als anorganische Verbindung TiJ4 , TiCl oder andere anorganische CVD-Quellen in fester oder flüssiger Form verwendet werden.
13. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle des Abätzens als Medium XeF2, TiJ4, TiCl , WF6 oder andere hochfluorierte oder halogenierte Verbindungen verwendet werden.
14. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß dieses zur Charakterisierung der
Geometrie und Erneuerung oder der Herstellung von Mikrospitzen von SXM-Cantilevern verwendet wird, wobei im Trog auf einem Substrat eine mit einer Leiterbahn elektrisch kontaktierte Spitze angeordnet wird, mit deren Hilfe die Geometrie der Mikrospitze rastermikroskopisch abgetastet wird, oder mit deren Hilfe eine Erneuerung oder die Herstellung einer Mikrospitze dadurch vorgenommen wird, daß die kontaktierte Spitze mit einer elektrischen Spannung oder mit Spannungspulsen zum Deponieren eines Niederschlags aus dem Medium auf die SXM-Sonden Cantilever gespeist wird.
15. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß dieses zur Speicherung von Informationen, zum Lesen von Informationen und zum Löschen von Informationen verwendet wird, wobei mit dem Verfahren auf den Substraten Moleküle oder Molekül-Cluster, die sich als Informationsträger eignen, zur Informationsspeicherung aufgetragen, zum Lesen von Informationen detektiert und zum Löschen von Informationen abgetragen oder umstrukturiert werden.
16. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 15 und 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß beim Speichern von Informationen, beim Lesen von Informationen und beim Löschen von Informationen mehrere Spitzen in gleicher aber auch voneinander unabhängiger Weise eingesetzt, repariert oder auch gereinigt werden.
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