DE19825404C2

DE19825404C2 - Rastersondenmikroskop mit Sondeneinrichtung, Sondeneinrichtung sowie Verfahren zum Herstellen einer Sondeneinrichtung

Info

Publication number: DE19825404C2
Application number: DE19825404A
Authority: DE
Inventors: Bernd Irmer; Armin Kriele; Heribert Lorenz; Martin Wendel
Original assignee: Bernd Irmer; Armin Kriele; Heribert Lorenz; Martin Wendel
Current assignee: Nanotools GmbH
Priority date: 1998-06-06
Filing date: 1998-06-06
Publication date: 2001-09-13
Anticipated expiration: 2018-06-07
Also published as: DE19825404A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Rastersondenmikroskop mit einer Sondeneinrich tung, eine Sondeneinrichtung sowie ein Verfahren zum Herstellen einer ent sprechenden Sondeneinrichtung.

Aus der EP 0 483 579 A2 sind Rastersondenmikroskope, Sonden sowie Herstellungsverfahren hierfür bekannt. Insbesondere sind dort Sonden be schrieben, die eine nadelförmige Struktur im Nanometer-Maßstab aufweisen. Diese Struktur besteht aus einer Kohlenstoffmatrix und ist auf einer kegeli gen Siliciumspitze angeordnet. Diese Spitze besitzt zwar den Vorteil, daß mit ihr Oberflächen sehr gut abgetastet werden können, da sie sehr dünn und lang sind. Ihre Festigkeit in axialer Richtung ist relativ groß. Nachteilig ist je doch, daß die Spitze, bei seitlich auf die Spitze einwirkenden Kräften, sehr empfindlich ist. Hierbei kommt es sehr schnell und häufig vor, daß die nadel förmige Spitze abbricht. Die Sonde ist damit unbrauchbar und muß erneuert werden.

Durch die US-P 5,383,354 ist es ferner bekannt, Sonden mit Kohlenstoff zu beschichten. Eine derart beschichtete Sonde wird in Kontakt mit einer Ober fläche gebracht, um diese abzutasten. Durch die Beschichtung wird zwar erreicht, daß die Sonde beim Abtasten nicht so schnell zerstört wird wie bis her bekannte Sonden, da die Kohlenstoffschicht eine Verschleißschicht auf der Sonde bildet. Als sehr nachteilig erweist sich hierbei, daß nur relativ gro ße Sondenspitzen mit dieser Beschichtung erzeugt werden, die dadurch auch nur grobe Oberflächenstrukturen abtasten können. Darüber hinaus können bei der Abtastung von Oberflächen ungewollte Artefakte auftreten, wenn die Spitze nicht gleichmäßig oder unvollkommen beschichtet ist.

In der DE 195 19 478 A1 wird ein Verfahren zur Beschichtung der Spitze einer Meßsonde, sowie die danach hergestellte Sonde beschrieben. Insbe sondere ist die Meßsonde hauptsächlich für den Einsatz bei der magneti schen Rasterkraftmikroskopie vorgesehen. Hierzu werden bekannte Spit zen, die beispielsweise durch elektrochemisches Ätzen von Drähten aus Ni ckel, Nickel/Eisen-Legierungen oder Kobalt hergestellt werden, zunächst mit einem ferromagnetischem Material beschichtet. Anschließend wird eine Schutzschicht durch Kohlenstoffabscheidung per Elektronenstrahl auf der beschichteten Spitze abgeschieden. Im dritten Schritt des Verfahrens wer den die ungeschützten Teile der Beschichtung mittels Ätzung entfernt, so daß die Kohlenstoffschutzschicht die ferromagnetische Beschichtung vor deren Abtragung schützt. Die ausgebildete Beschichtung auf der Spitze wirkt als eine volle Ummantelung der Sondenspitze.

Die DE 40 07 292 C1 bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Mik ro-Schmelzstrukturen aus elektrisch leitendem Material auf einer elektrisch leitenden Sondenspitze. Hierbei wird im Bereich der Sondenspitze Material aus einer Folie, die von der Sondenspitze berührt wird, aufgeschmolzen. In Folge der in der Schmelze wirksam werdenden Oberflächenkräfte lagert sich an der Sondenspitze das aufgeschmolzene Folienmaterial kugelförmig an. Es bildet sich an der Sondenspitze eine Art Mikrokugel aus, deren Kugelra dius einige 10 bis einige 100 Nanometer betragen kann.

In dem Dokument EP 354 020 A2 wird eine Sonde mit einer elektrisch leitfä higen Basis auf einer ausgebildeten Spitze offenbart. Die Basis ist an ihrem Ende spitz zulaufend und umgeben von einer halbleitenden Schicht aus Di amant. Die Dicke der aufgetragenen Diamantschicht beträgt weniger als 5 Mikrometer. Die Spitze besitzt an ihrem Ende einen Krümmungsradius von weniger als 300 Nanometer.

Die Anwendungen der Rastersondenmikroskopie sind sehr stark einge schränkt, da es mit den bisher bekannten Sondeneinrichtungen nicht mög lich ist, dauerhaft bei einer gleichbleibenden hohen Sensitivität der Sonden einrichtung Oberflächen abzurastern. Außerdem entstehen zusätzlich hohe Kosten dadurch, wenn Sondeneinrichtungen infolge mangelnder Stabilität sehr schnell unbrauchbar werden, oder z. B. durch nicht fehlerfreie Beschich tungen die Rasterung von Oberflächenstrukturen verfälschen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, die oben genannten Nachteile zu vermeiden und eine sehr sensitive Sondeneinrichtung zu schaf fen, die dauerhaft sensitiv, robust und verschleißfest und darüber hinaus ein fach herzustellen ist.

Die Aufgabe wird hinsichtlich des Rastersondenmikroskops durch die Merk male des Anspruchs 1, hinsichtlich der Sondeneinrichtung durch die Merk male des Anspruchs 15 sowie hinsichtlich des Verfahrens zum Herstellen einer Sondeneinrichtung durch die Merkmale des Anspruches 27 gelöst.

Erfindungsgemäß weist ein Rastersondenmikroskop eine Sondeneinrichtung auf, die aus einem Substrat und einer darauf angeordneten Struktur besteht, wobei auf dem Substrat und auf der Struktur eine Beschichtung angeordnet ist, wobei die Beschichtung als Stützeinrichtung für die Struktur ausgebildet ist. Mittels der Beschichtung ist es möglich, eine größere Kontaktfläche zwi schen Substrat und der darauf angeordneten Struktur zu erzielen, wodurch die Struktur mehr und besser stabilisiert werden kann und außerdem die Haftung der Struktur auf dem Substrat erhöht wird. Gemäß der Erfindung ist die Beschichtung als Stützeinrichtung ausgebildet. Dies ist insofern sinnvoll, da die Struktur infolge von z. B. mechanischen Einwirkungen verformt wird, diesen Einwirkungen gezielt entgegenzuwirken, indem z. B. Stützstreben oder dergleichen ausgebildet werden. Ein Verbiegen der Struktur wird da durch zuverlässig vehindert.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden unter dem Begriff Struktur sowohl nagelartige Spitzen als auch speziell konstruierte Ausformungen ver standen, die nicht nur zur Abrasterung von Oberflächen dienen, sondern fer ner als eine Art Werkzeug auf eine Oberfläche einwirken können.

Um die Stabilität der Sondeneinrichtung noch weiter zu erhöhen, ist die Be schichtung über den Bereich des Übergangs zwischen Substrat und Struktur hinaus angeordnet. Durch die Beschichtung über eine größere Fläche wird neben einer Verbesserung der Stabilität und der Haftung der Struktur auf dem Substrat dafür gesorgt, daß das Substrat und die Struktur vor z. B. me chanischen Einwirkungen besser geschützt sind.

Ebenso ist es auch möglich, daß die Beschichtung teilweise bzw. ab schnittsweise auf der Struktur und/oder auf dem Substrat ausgebildet sind. Die Beschichtung kann längs und quer bezüglich einer Vorzugsrichtung der zu beschichtenden Oberflächen von Substrat und/oder Struktur, die z. B. durch eine Oberflächennormale vorgegeben ist, ausgebildet sein. Hierdurch können entsprechend den Anforderungen an die Anwendung spezielle Son deneinrichtungen ausgebildet werden. Darüber hinaus werden zum Teil sehr teuere Materialien zur Herstellung von der Beschichtung und/oder der Struk tur eingespart. Zum anderen gelingt es damit auch, bei besonderen z. B. me chanischen Beanspruchungen bestimmte Abschnitte einer Struktur zu ver stärken bzw. zu schützen.

Um eine höhere Festigkeit der Sondeneinrichtung zu erreichen, sind die Be schichtung und die Struktur verschmolzen, da infolge des Schmelzprozesses sich eine festere innere Verbindung zwischen Beschichtung und Struktur ausbildet. Hierdurch wird zusätzlich die Haftung der Struktur und der Schutz vor Einwirkung auf die Struktur wesentlich verbessert.

Vorzugswürdig in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es, das Substrat pyramidenförmig oder kegelartig oder als Erhebung auszubilden. Eine derartige Ausbildung erleichtert die Anordnung einer Struktur auf der Spitze oder im Bereich der Spitze bzw. der Erhebung. Darüber hinaus kann die Sondeneinrichtung leichter und schneller mit einer Beschichtung verse hen werden.

Um besondere Ausgestaltungen der Erfindung herstellen zu können, ist die Struktur leitfähig und die Beschichtung isolierend ausgebildet. In diesem Fall kann die Sondeneinrichtung so gestaltet werden, daß sie als besondere Me ßeinrichtung für Oberflächen oder als Bearbeitungswerkzeug für Oberflächen verwendet werden kann, da infolge der Isolierung die Wechselwirkungen zwischen der Struktur und einer Oberfläche erheblich reduziert wird. Die Be schichtung wirkt hierbei als eine Art Abschirmung.

Wenn die Struktur und/oder die Beschichtung aus einer Kohlenstoffmodifika tion bestehen, ergeben sich insbesondere verbesserte mechanische Eigen schaften der Sondeneinrichtungen gegenüber konventionellen neben den Vorteilen bei den Anwendungen. So sind die Struktur und/oder die Beschich tung hinsichtlich ihrer Härte stärker ausgebildet, ohne gleichzeitig eine gerin gere Biegsamkeit aufzuweisen. Ferner sind die Struktur und/oder die Be schichtung in ihrer Leitfähigkeit durch die Prozeßparameter steuerbar.

In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Kohlenstoffmodifikation im wesentlichen die Härte von Diamant auf, wobei die Kohlenstoffmodifikation eine geringere Sprödheit und/oder eine höhere Flexibilität bzw. Elastizität als beispielsweise Diamant aufweisen kann. Damit lassen sich sehr robuste und lange haltbare Strukturen bzw. Beschichtungen herstellen. Bei Anwendun gen können deshalb mehr Untersuchungen mit derselben Sondeneinrichtung durchgeführt werden.

Um die elektrische Leitfähigkeit der Sondeneinrichtung zu erhöhen, können in einer Weiterbildung der Erfindung die Struktur und/oder die Beschichtung aus Metall und/oder metallischen und/oder metallorganischen Verbindungen bestehen. Hierdurch gelingt es, bei Untersuchungen oder Einwirkungen der Sondeneinrichtung auf die Oberflächen bessere Ergebnisse zu erreichen.

Außerdem ist es vorteilhaft, wenn die Beschichtung aus dem gleichen Mate rial wie die Struktur besteht. Insbesondere ist es damit möglich, eine gute und stabile Verbindung zwischen der Beschichtung und der Struktur herzu stellen.

Als vorzugswürdig ist es weiter, wenn das Substrat aus Silicium oder Silici um-Verbindungen besteht. Dieser Substratträger ist in der Anwendung be reits gut bewährt und günstig in der Anschaffung. Es sind selbstverständlich auch andere Stoffe und Materialien als Substrat denkbar und möglich. Je nach Bedarf können Materialien verwendet werden, die den besonderen Er fordernissen gerecht wird.

In einer Alternative kann das Substrat aus Materialien mit isolierenden, z. B. SiO₂, SiN₄, oder halbleitenden, bspw. GaAs, oder leitenden, bspw. Pt, Au, Eigenschaften bestehen. Die leitenden Materialien sind vorzugsweise Edel metalle. Das Substrat kann jeweils nach Anwendung der Sondeneinrichtung entsprechende günstige Eigenschaften für die Untersuchungen z. B. in der Biologie oder Medizin aufweisen.

Besonders vorteilhaft ist es, die Sondeneinrichtung auf einem Ausleger, ins besondere einem Cantilever, anzuordnen. Die Sondeneinrichtung kann da mit kostengünstig hergestellt werden, da für die Herstellung der Sondenein richtung herkömmliche Cantilever verwendet werden. Diese Cantilever sind günstig in der Anschaffung, so daß in dem weiteren Herstellungsprozess auf den Cantilever lediglich die Struktur und/oder die Beschichtung aufgebracht werden.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung ei ner derartigen Sondeneinrichtung vorzuschlagen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mittels eines Verfahrens zum Herstel len einer Sondeneinrichtung dadurch gelöst, indem eine Energieübertragung auf und/oder um die Stelle erfolgt, an der die Struktur auf dem Substrat an geordnet ist oder wird, eine gasförmige Atmosphäre in der Umgebung dieser Stelle sich befindet, aus der gasförmigen Atmosphäre sich Atome und/oder gasförmige Verbindungen infolge der Energieübertragung an oder um die genannte Stelle anlagern und eine Beschichtung auf dem Substrat und auf der Struktur ausbilden oder eine Beschichtung und Struktur auf dem Sub strat ausbilden, wobei die Beschichtung als Stützeinrichtung für die Struktur ausgebildet wird. Dieses Herstellungsverfahren ermöglicht das Aufbringen einer Beschichtung auf einem Substrat und auf einer Struktur, wobei in die sem Fall die Struktur auf dem Substrat bereits angeordnet ist oder die Aus bildung der Beschichtung und der Struktur auf dem Substrat erfolgt, vor zugsweise gleichzeitig bzw. in einem Verfahrensabschnitt.

Erfindungsgemäß wird die Beschichtung als Stützeinrichtung ausgebildet. Als Stützeinrichtung wird jede Einrichtung verstanden, die dazu dient, die Struktur bzw. das Substrat zu verstärken und somit vor mechanischen Bean spruchungen insbesondere zu schützen. Ohne den Boden der Erfindung zu verlassen, wird als Stützeinrichtung u. a. auch eine Konstruktion verstanden, die die elastischen Eigenschaften entsprechend den Anforderungen der An wendung unterstützen.

Um die Beschichtung und/oder die Struktur exakt auszubilden, ist es erfor derlich, daß die Energieübertragung gerichtet und/oder definiert und/oder punktuell und/oder strahlförmig und/oder zeitlich vorbestimmt erfolgt. Durch eine exakte Kontrolle der Energieübertragung läßt sich das Wachstum bzw. die Wachstumsgeschwindigkeit der Beschichtung bzw. der Struktur genau steuern. Die hohen Anforderungen an die Sondeneinrichtung erfordern ein Aufbringen der Beschichtung und/oder der Struktur in einer sehr präzisen Weise. So kann die Beschichtung aufgebracht werden, in dem beispielswei se aus einer Energiestrahlquelle auf einen exakt definierten Bereich zeitlich begrenzt eine dosierte Energiemenge übertragen wird. Hierdurch sind dann die für das Aufbringen der Beschichtung günstigen Voraussetzungen ge schaffen.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Energieübertra gung mittels einer entsprechenden Führungseinrichtung. Unter Führungsein richtung ist hierbei jede Einrichtung zu verstehen, die unter anderem eine Kontrolle der Energieübertragung in dem oben genannten Sinne ermöglicht. Diese können weiterhin beispielsweise auch Fokussiereinrichtungen oder Selektionseinrichtungen, z. B. Filtereinrichtungen für Geschwindigkeit, Ener gie etc. sowie optische Filter usw., umfassen. Weiter ist es vorteilhaft, die Struktur und/oder die Beschichtung auszubilden, in dem die Energieübertra gung durch Variation der Energiedichte und/oder der Stromdichte und/oder der Zeitdauer der Energieübertragung erfolgt. Die Variation dieser Parameter lassen ebenfalls eine exakte Kontrolle der Energieübertragung zu.

Ohne die Basis der Erfindung zu verlassen, ist es ebenso möglich, daß die Energieübertragung ortsfest ist und statt dessen das Substrat mit der Be schichtung und der Struktur bewegt wird. Diese Bewegungen können in jede Raumrichtung ausgeführt werden und vertikale wie horizontale Verschiebun gen und/oder Rotationen umfassen. Entscheidend ist, daß eine Relativbe wegung zwischen der Energieübertragung und dem Substrat stattfindet.

Als Quellen für die Energieübertragung eignen sich insbesondere Elektro nenquellen und/oder Laserquellen und/oder Ionenquellen. Diese Strahlquel len sind in vielfachen Anwendungen bereits erprobt und sind weiter leicht in eine entsprechende Vorrichtung einzubauen und zu bedienen bzw. zu kon trollieren.

Insbesondere ist es für die Erfindung von Vorteil, wenn die Energieübertra gung über die Umgebung und/oder den Bereich der Stelle, an der die Struk tur auf dem Substrat angeordnet ist, in vorbestimmten Verlaufsmustern, vor zugsweise rasterförmig, spiralförmig oder dergleichen, geführt wird. Infolge der vorbestimmten Verlaufsmuster erzielt man ein gleichmäßiges Ausbilden der Beschichtung und/oder der Struktur. Das Verlaufsmuster kann hierbei so gewählt werden, daß entsprechend den Anforderungen an die Sondeneinrichtung und ihrer späteren Anwendung die Beschichtung und/oder die Struktur besondere Gestaltungen aufweisen.

Ferner besteht eine vorteilhafte Variante der Erfindung darin, daß die Fläche der Umgebung bzw. der Stelle, auf der die Energieübertragung erfolgt, ver ringert bzw. vergrößert wird. Hierdurch wird es im Falle der Flächenverringe rung möglich, die Beschichtung und/oder die Struktur derart zu gestalten und an die Erfordernisse an eine Sondeneinrichtung anzupassen, daß beispiels weise eine kegelartige Beschichtung um eine Struktur unter einer genauen Kontrolle der Energieübertragung ausgebildet werden kann.

Eine weitere bevorzugte Variante des Verfahrens besteht darin, daß die Dauer der Energieübertragung auf einen Punkt zur Ausbildung der Struktur länger ist als die Dauer der Energieübertragung auf einen anderen Punkt zur Ausbildung der Beschichtung. Durch die unterschiedliche Dauer der Ener gieübertragung erreicht man, daß die Struktur bzw. die Beschichtung unter schiedliche mechanische Eigenschaften aufweisen. Eine längere Dauer der Energieübertragung auf einen Punkt führt im allgemeinen dazu, daß an die sem Punkt eine festere Verbindung ausgebildet wird. Durch die verschiede ne Zeitdauer der Energieübertragung ist es deshalb möglich, eine Struktur mit einer größeren Steifigkeit und eine Beschichtung mit einer geringereren Festigkeit auszubilden. Die Beschichtung dient in diesem Fall neben einer Versteifung der Struktur ebenso als eine Art Schutzummantelung der Struk tur.

Eine derartige besondere und bevorzugte Ausgestaltung kann darin beste hen, daß die Beschichtung teilweise bzw. abschnittsweise ausgebildet wird. Außerdem kann die Beschichtung gezielt Verdickungen und Verdünnungen aufweisen, so daß beispielsweise die Struktur entsprechend der Geometrie mechanisch versteift oder biegsam bzw. elastisch wird.

Es ist weiterhin vorzugswürdig, wenn die Beschichtung und die Struktur ver schmolzen werden. Infolge des Verschmelzens ergeben sich wesentlich bessere mechanische bzw. elastische Eigenschaften, da durch das Ver schmelzen sich besonders feste und harte Verbindungen zwischen der Be schichtung und der Struktur ergeben.

Weiter ist es vorzugswürdig, das Substrat pyramidenförmig oder kegelartig oder als Erhebung auszubilden. Eine derartige Ausformung des Substrats erleichtert die Anordnung der Beschichtung und der Struktur.

In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung erfolgt die Formung der Struktur durch Änderung des Auftreffwinkels zwischen der Richtung der Energieübertragung und der Fläche der Struktur bzw. des Substrats. Die Än derung des Auftreffwinkels kann z. B. gemäß der oben genannten Relativbe wegung oder mittels einer Führungseinrichtung für die Energieübertragung vorgenommen werden. Die Strukturen selbst können beliebig gestaltet wer den und beliebige Formelemente, wie z. B. Krümmungen, Abzweigungen und dergleichen umfassen. Hierdurch ist es möglich, die Strukturen z. B. als Mehrfachspitzen oder ringförmig usw. auszubilden.

Zur Reduzierung der Wechselwirkung von Struktur mit einer zu untersu chenden Oberfläche ist die Struktur leitfähig und die Beschichtung isolierend ausgebildet. Hierbei schirmt die Beschichtung die Struktur elektrisch ab, so daß z. B. laterale Wechselwirkungskräfte zwischen oberen Atomlagen einer Vertiefung und der Struktur vermindert werden, wenn die Struktur in eine grabenartige Vertiefung bei Messungen eingebracht wird und/oder die Mes sung in Flüssigkeit erfolgt.

Wenn in der gasförmigen Atmosphäre organische Verbindungen vorhanden sind, ist es möglich, die Struktur und/oder die Beschichtung als Kohlenstoff modifikation auszubilden. Die Kohlenstoffmodifikation kann eine große me chanische Härte, in der Regel härter als Diamant aufweisen und zudem gleichzeitig noch flexibel sein, d. h. sie ist weniger spröde als Diamant. Au ßerdem kann die Struktur und/oder die Beschichtung elektrisch leitend oder isolierend ausgeführt werden.

Eine vorteilhafte Steigerung der elektrischen Leitfähigkeit der Sondeneinrich tung wird dadurch erreicht, falls die Struktur und/oder die Beschichtung aus Metall und/oder metallischen und/oder metallorganischen Verbindungen ausgebildet wird. Die gasförmige Atmosphäre kann gemäß den Anforderun gen gesteuert werden, so daß die Ausbildung von Struktur und/oder Be schichtung exakt erfolgt, wobei die Atmosphäre durch Einleitung von Gasen gezielt geschaffen und verändert wird.

Insbesondere ist es vorzugswürdig, wenn das Substrat aus Silicium oder Si licium-Verbindungen besteht, insbesondere weil sich Silicium aufgrund der physikalischen wie mechanischen Eigenschaften als Substrat-Träger be währt hat und sowohl in der Rastersondenmikroskopie wie auch anderen Bereichen angewendet wird.

In einer Variante der Erfindung besteht das Substrat aus Materialien mit iso lierenden z. B. SiO₂, SiN₄, oder halbleitenden, bspw. GaAs, oder leitenden, bspw. Pt, Au, Eigenschaften. Vorteilhaft ist es hier, daß das Sub strat bevorzugte physikalische oder chemische Charakteristika z. B. für Ober flächenuntersuchungen in der Biologie aufweist.

Es stellt eine Vereinfachung des Verfahrens dar, wenn die Beschichtung aus dem gleichen Material wie die Struktur hergestellt wird, da im gleichen Ver fahrensschritt sowohl die Beschichtung wie auch die Struktur aus der gas förmigen Atmosphäre mittels der Energieübertragung entstehen. Außerdem wird hierdurch eine bessere Haftung zwischen der Beschichtung und der Struktur gewährleistet.

Weiterhin ist es vorzugswürdig, wenn die Sondeneinrichtung auf einem Aus leger, insbesondere einem Cantilever, ausgebildet wird. Es können hierzu herkömmliche Cantilever verwendet werden, so daß die Kosten für die Her stellung einer derartigen Sondeneinrichtung reduziert werden können.

Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a-1c einen Herstellungsprozess einer Sondeneinrichtung;

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Sondeneinrichtung;

In den Fig. 1a bis 1c ist eine mögliche Ausführungsform eines Herstel lungsverfahrens für eine Sondeneinrichtung dargestellt. Das Herstellungsver fahren zu einem frühen Zeitpunkt ist in Fig. 1a dargestellt. Auf einem Sub strat 1, das pyramidenförmig oder kegelartig ausgebildet sein kann, ist be reits eine Beschichtung 5 um eine Substratspitze 2 appliziert. Die Beschich tung 5 ist sockelartig um die Substratspitze 2 angeordnet. Um die Substrat spitze 2 ist ein kugelartiger Bereich 3 ausgebildet, in dem vornehmlich eine gasförmige Atmosphäre vorhanden ist. Mittels eines Elektronenstrahls 4, dessen Strahl um die Substratspitze 2 geführt wird, wird die Fläche des Sub strats 1 um die Substratspitze 2 herum "energiekontaminiert". Infolge dieser Energiekontamination und/oder Wechselwirkungen zwischen dem Elektro nenstrahl und den Atomen und/oder Molekülen in der gasförmigen Atmo sphäre des Bereiches 3 lagern sich Atome und/oder Moleküle an der ener giekontaminierten Stelle ab, so daß allmählich eine Beschichtung 5 ausge bildet wurde. Der Elektronenstrahl 4 wird hierbei in vorbestimmten bzw. be liebigen Verlaufsmustern, beispielsweise rasterförmig oder spiralförmig um die Substratspitze 2 herumgeführt. Hierzu ist der Elektronenstrahldurchmes ser entsprechend klein gewählt und weist eine hohe Energiedichte auf.

Bei diesem als Electron-Beam-Deposited-Verfahren bekannten Verfahren findet unter Vakuum eine Wechselwirkung zwischen den im allgemeinen hochenergetischen Elektronen, typischerweise im keV-Bereich, und den Gasatomen bzw. -molekülen der im Vakuum übriggebliebenen oder gezielt eingeleiteten gasförmigen Atmosphäre statt. Hierbei werden Molekülverbin dungen leicht aufgebrochen und es entstehen freie Bindungen bzw. Radikale, die leicht zu einem neuen Gefüge auf dem Substrat polymerisieren und eine Beschichtung ausbilden.

Fig. 1a zeigt das Verfahren zum Zeitpunkt, zu dem auf der Substratspitze 2 eine Nadelspitze 8 gerade ansatzweise ausgebildet wird (siehe Fig. 1b).

Das Verfahren zu einem späteren Zeitpunkt ist in Fig. 1b schematisch ge zeigt. Hierbei ist die Nadelspitze 8 zu einem gewissen Teil, jedoch noch nicht vollständig, bereits auf der Substratspitze 2 ausgebildet. Die Beschichtung 5, die die Nadelspitze 8 umgibt, wird gleichzeitig mit der Nadelspitze 8 ausge bildet. Weiterhin ist die Beschichtung 5 sockelartig ausgebildet und weist eine Oberfläche 7 auf. Auf dieser Oberfläche 7, die sich nach oben hin ver jüngt, wird der Elektronenstrahl 4 in vorbestimmten Verlaufsmustern geführt, so daß gemäß der Energieübertragung und den oben beschriebenen Wech selwirkungen die Beschichtung 5 und die Nadelspitze 8 ausgebildet werden. Hierbei ist die Zeitdauer zur Ausbildung der Beschichtung 5 an einer Stelle kürzer als die Zeitdauer der Energiekontamination zur Ausbildung der Nadel spitze 8. Mit anderen Worten: Um eine harte Nadelspitze 8 auszubilden, muß der Elektronenstrahl am Ort der Nadelspitze 8 länger verweilen, so daß sich dort mehr Atome bzw. Moleküle aus der gasförmigen Atmosphäre anla gern. Die Verweildauer des Elektronenstrahles 4 zur Ausbildung der Be schichtung 5 ist geringer als zur Ausbildung der Nadelspitze 8, so daß sich weniger Atome bzw. Moleküle dort anlagern.

Die die Nadelspitze 8 umgebende Beschichtung 5 dient sowohl als eine Art Ummantelung und Schutz als auch zur Verbesserung der Haftung der Na delspitze 8 zum Substrat. Hieraus ergibt sich eine erhöhte Robustheit ge genüber mechanischem Beanspruchungen und somit eine längere Haltbar keit der Nadelspitzen 8 bei deren Einsatz in Rastersondenmikroskopen. Ins gesamt ergibt sich eine verstärkte Verbindung zwischen der Nadelspitze 8 und dem Substrat 1.

Bei dieser Variante des Verfahrens bestehen die Beschichtung 5 und die Nadelspitze 8 aus dem gleichen Material. Je nach Anwendung und Erforder nis befinden sich in der gasförmigen Atmosphäre im Bereich 3 entsprechen de Gase und/oder Moleküle, so daß beispielsweise eine hydrophile bzw. hydrophobe oder eine elektrisch leitende bzw. isolierende Nadelspitze 8 ausgebildet werden kann.

Fig. 1c zeigt eine fertige Sondeneinrichtung, bei der das obere Ende der Nadelspitze 8 über die Beschichtung 5 hinausragt. Nach einer anderen Aus führungsform des Verfahrens kann eine Sondeneinrichtung auch dadurch geschaffen werden, indem eine Beschichtung auf einem Substrat mit einer bereits darauf angeordneten Nadelspitze ausgebildet werden. Dadurch ist es möglich, abweichend vom hier dargestellten Verfahren, daß Nadelspitze und die Beschichtung aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sind. Die Na delspitzen der Sondeneinrichtungen können in einem zusätzlichen, hier nicht dargestellten Prozeßschritt weiterbearbeitet werden. Insbesondere können die ausgebildeten Nadelspitzen geschärft werden.

Ebenso ist es erfindungsgemäß, wenn in einer anderen Ausführung der Er findung die Struktur bereits auf dem Substrat angeordnet ist und die Be schichtung in einem weiteren Schritt auf Substrat und/oder die Struktur auf gebracht wird.

Wie in Fig. 2 dargestellt, kann eine Beschichtung 11 um eine Nadelspitze 10 so angeordnet sein, daß die Beschichtung 11 als Stützeinrichtung der Nadelspitze 10 ausgebildet ist. Auf einem Substrat 9, das sowohl als ebene Fläche als auch als Erhebung ausgebildet sein kann, ist in diesem Fall die Beschichtung 11 kreuzartig auf dem Substrat 9 aufgebracht. Die hierdurch ausgebildete Stützeinrichtung wirkt als eine Art Verstrebung und kann die Sondeneinrichtung bei starken mechanischen Beanspruchungen schützen.

In Weiterbildungen der Erfindungen kann die Nadel gekrümmt sein. Ferner sind Verdickungen oder Verdünnungen in der Struktur oder der Beschichtung möglich, wodurch Sollbruchstellen in der Sondeneinrichtung genau de finiert werden können.

Die Nadeln können ferner mit unterschiedlichen Formungen hergestellt wer den. So ist es möglich, die Nadel z. B. mit mehreren Spitzen auszubilden. Darüber hinaus kann die Nadel so konstruiert und hergestellt werden, daß sie auch Strukturen, wie z. B. geschlossene Ringstrukturen in horizontaler und/oder vertikaler Richtung aufweisen kann. Diese Strukturen eröffnen Möglichkeiten, unter anderem bestimmte, exakte und kontrollierte Einwirkun gen auf Oberflächen im Nanometer-Bereich mit der Sondeneinrichtung vor zunehmen. In diesem Fall dient die Sondeneinrichtung als eine Art Werk zeug, so daß die Oberflächen beispielsweise für Anwendungen, Untersu chungen oder dergleichen entsprechend manipuliert werden können. Diese hierbei verwendeten Strukturen auf dem Substrat sind ebenfalls mit einer Beschichtung versehen.

Die Sondeneinrichtung wird auf einem Cantilever angeordnet, der eine Län ge von ungefähr 100 bis 500 µm, eine Breite von etwa 20 bis 50 µm und ei ner Dicke von circa 5 µm besitzt. Am Ende des Cantilevers befindet sich das Substrat, das in der Regel pyramidal ausgebildet ist mit einer Basislänge von typischerweise 10 bis 50 µm. Die Höhe der Sondeneinrichtung beträgt in et wa 10 bis 50 µm, wobei die Höhe der nadelartigen Struktur ungefähr 1 bis 5 µm und die Breite am Übergang zwischen Struktur und Substratspitze circa 50 bis 250 nm beträgt.

Mittels der Erfindung gelingt es, Sondeneinrichtungen entsprechend den An forderungen und Anwendungen als Meßinstrument oder als eine Art Werk zeug "maßgeschneidert" auszubilden. Hierbei ist es möglich, neben der Form bzw. Geometrie auch die stoffliche Zusammensetzung der Sondenein richtung zu bestimmen. So können weiter die Sondeneinrichtungen bei spielsweise bevorzugte mechanische, elektrische und chemische Eigen schaften, die chemisch inert, hydrophil oder hydrophob umfassen, aufweisen. Insgesamt werden gegenüber den bisher bekannten mit der erfin dungsgemäßen Sondenrichtungen bessere Ergebnisse in der Praxis erzielt.

Claims

1. Rastersondenmikroskop mit einer Sondeneinrichtung, bestehend aus einem Substrat (1, 9) und einer darauf angeordneten Struktur (8, 10), dadurch gekennzeichnet, daß eine Beschichtung (5, 11) auf dem Sub strat (1, 9) und der Struktur (8, 10) angeordnet ist und die Beschichtung (5, 11) als Stützeinrichtung für die Struktur (8, 10) ausgebildet ist.

2. Rastersondenmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (5, 11) über den Bereich des Übergangs zwischen Substrat (1, 9) und Struktur (8, 10) hinaus angeordnet ist.

3. Rastersondenmikroskop nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (5, 11) teil weise bzw. abschnittsweise angeordnet ist.

4. Rastersondenmikroskop nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (5, 11) und die Struktur (8, 10) verschmolzen sind.

5. Rastersondenmikroskop nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1, 9) pyramiden förmig oder kegelartig oder als Erhebung ausgebildet ist.

6. Rastersondenmikroskop nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur (8, 10) leitfähig und die Beschichtung (5, 11) isolierend ausgebildet ist.

7. Rastersondenmikroskop nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur (8, 10) und/oder die Beschichtung (5, 11) aus einer Kohlenstoffmodifikation besteht.

8. Rastersondenmikroskop nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlenstoffmodifikation im wesentlichen die Härte von Diamant aufweist, wobei die Kohlenstoffmo difikation eine geringere Sprödheit und/oder eine höhere Elastizität als Diamant aufweisen kann.

9. Rastersondenmikroskop nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur (8, 10) und/oder die Beschichtung (5, 11) aus Metall und/oder metallischen und/oder me tallorganischen Verbindungen besteht.

10. Rastersondenmikroskop nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (5, 11) aus dem gleichen Material wie die Struktur (8, 10) besteht.

11. Rastersondenmikroskop nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1, 9) aus Silizi um oder Silziumverbindungen besteht.

12. Rastersondenmikroskop nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1, 9) aus Mate rialien mit isolierenden oder halbleitenden oder leitenden Eigenschaften besteht.

13. Rastersondenmikroskop nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sondeneinrichtung auf ei nem Ausleger, insbesondere einem Cantilever, angeordnet ist.

14. Sondeneinrichtung für Rastersondenmikroskope, bestehend aus einem Substrat (1, 9) und einer darauf angeordneten Struktur (8, 10), dadurch gekennzeichnet, daß eine Beschichtung (5, 11) auf dem Substrat (1, 9) und der Struktur (8, 10) angeordnet ist und die Beschichtung (5, 11) als Stützeinrichtung für die Struktur (8, 10) ausgebildet ist.

15. Sondeneinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (5, 11) über den Bereich des Übergangs zwischen Sub strat (1, 9) und Struktur (8, 10) hinaus angeordnet ist.

16. Sondeneinrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (5, 11) teilwei se bzw. abschnittsweise angeordnet ist.

17. Sondeneinrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (5, 11) und die Struktur (8, 10) verschmolzen sind.

18. Sondeneinrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1, 9) pyramiden förmig oder kegelartig oder als Erhebung ausgebildet ist.

19. Sondeneinrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur (8, 10) leitfähig und die Beschichtung (5, 11) isolierend ausgebildet ist.

20. Sondeneinrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur (8, 10) und/oder die Beschichtung (5, 11) aus einer Kohlenstoffmodifikation besteht.

21. Sondeneinrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlenstoffmodifikation im wesentlichen die Härte von Diamant aufweist, wobei die Kohlenstoffmo difikation eine geringere Sprödheit und/oder eine höhere Elastizität als Diamant aufweisen kann.

22. Sondeneinrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur (8, 10) und/oder die Beschichtung (5, 11) aus Metall und/oder metallischen und/oder metall organischen Verbindungen besteht.

23. Sondeneinrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (5, 11) aus dem gleichen Material wie die Struktur (8, 10) besteht.

24. Sondeneinrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1, 9) aus Silizium oder Silziumverbindungen besteht.

25. Sondeneinrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1, 9) aus Materia lien mit isolierenden oder halbleitenden oder leitenden Eigenschaften besteht.

26. Sondeneinrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sondeneinrichtung auf einem Ausleger, insbesondere einem Cantilever, angeordnet ist.

27. Verfahren zum Herstellen einer Sondeneinrichtung für Rastersonden mikroskope, bestehend aus einem Substrat (1, 9) und einer darauf an geordneten Struktur, wobei

- eine Energieübertragung auf und/oder um die Stelle erfolgt, an der die Struktur (8, 10) auf dem Substrat (1, 9) angeordnet ist oder wird,
- eine gasförmige Atmosphäre in der Umgebung dieser Stelle sich be findet,
- aus der gasförmigen Atmosphäre sich Atome und/oder gasförmige Verbindungen infolge der Energieübertragung an oder um die ge nannte Stelle anlagern, und
- und eine Beschichtung (5, 11) auf dem Substrat (1, 9) und auf der Struktur (8, 10) ausbilden
- oder eine Beschichtung (5, 11) und Struktur (8, 10) auf dem Substrat (1, 9) ausbilden,
- wobei die Beschichtung (5, 11) als Stützeinrichtung für die Struktur (8, 10) ausgebildet wird.

28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Ener gieübertragung gerichtet und/oder definiert und/oder punktuell und/oder strahlförmig und/oder zeitlich vorbestimmt erfolgt.

29. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieübertragung mittels einer Füh rungseinrichtung erfolgt.

30. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur (8, 10) und/oder Beschichtung (5, 11) ausgebildet wird, indem die Energieübertragung durch Variation der Energiedichte und/oder der Stromdichte und/oder der Zeitdauer der Energieübertragung erfolgt.

31. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieübertragung mittels einer Elektronenquelle und/oder Laserquelle und/oder Ionenquelle erfolgt.

32. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieübertragung über die Umge bung und/oder den Bereich der Stelle, an der die Struktur (8, 10) auf dem Substrat (1, 9) angeordnet ist, in vorbestimmten Verlaufsmustern, vorzugsweise rasterförmig, geführt wird.

33. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche der Umgebung bzw. der Stelle, auf der die Energieübertragung erfolgt, verringert bzw. vergrößert wird.

34. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der Energieübertragung auf ei nen Punkt zur Ausbildung der Struktur (8, 10) länger ist als die Dauer der Energieübertragung auf einen anderen Punkt zur Ausbildung der Be schichtung.

35. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (5, 11) teilweise bzw. abschnittsweise ausgebildet wird.

36. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (5, 11) und die Struktur (8, 10) verschmolzen wird.

37. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1, 9) pyramidenförmig oder kegelartig oder als Erhebung ausgeformt wird.

38. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Formung der Struktur (8, 10) durch Änderung des Auftreffwinkels zwischen der Richtung der Energieüber tragung und der Fläche der Struktur (8, 10) bzw. des Substrats erfolgt.

39. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur (8, 10) leitfähig und die Be schichtung (5, 11) isolierend ausgebildet wird.

40. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur (8, 10) und/oder die Beschich tung (5, 11) aus organischen Verbindungen ausgebildet wird.

41. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur (8, 10) und/oder die Beschichtung (5, 11) aus Metall und/oder metallischen und/oder metallorgani schen Verbindungen ausgebildet wird.

42. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1, 9) aus Silizium oder Sili ziumverbindungen besteht.

43. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1, 9) aus Materialien mit iso lierenden oder halbleitenden oder leitenden Eigenschaften besteht.

44. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (5, 11) aus dem gleichen Material wie die Struktur (8, 10) hergestellt wird.

45. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sondeneinrichtung auf einem Ausle ger, insbesondere einem Cantilever, ausgebildet wird.