WO2001074709A1 - Precision material processing or structuring carried out on the atomic scale - Google Patents

Abstract

The invention relates to a method and device for structuring substrates (as presented in Fig. 1), wherein local mechanical forces are exerted onto the substrate surface via a probe that is placed in contact with the substrate surface. Said local mechanical forces are exerted in such a manner that covalent, ionic, coordinate, hydrogen bridge, van der Waals or metallic bonds of the solid composite that constructs the substrate are broken thus resulting in the removal of material from the solid composite in the form of individual atoms, molecules, atom groups and/or radicals. According to the type of substrate material per working step, the removal of material is, in a lateral direction, equal to a maximum of 200 atomic lattice constants or sublattice constants of the solid that constructs the substrate.

Description

PRAZISIONSMATERIA BEARBEITUNG BZW -STRUKTURIERUNG AUF ATOMARER SKALA PRAZISIONSMATERIA MACHINING OR STRUCTURING ON AN ATOMAR SCALE

Beschreibungdescription

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Strukturierung von Substraten, worin auf die Substratoberflache über eine Sonde, die in Kontakt mit der Substratoberflache steht, lokale mechanische Kräfte derart ausgeübt werden, dass kovalente, ionische, koordinative, Wasserstoffbrucken, van der Waalssche oder metallische Bindungen des das Substrat aufbauenden Festkorperverbunαes gebrochen werden und dadurch ein Mateπalabtrag in Form von einzelnen Atomen, Molekülen, Atomgruppen und/oder Radikalen aus dem Festkorperverbund erfolgt, wobei in Abhängigkeit von dem Substratmatenal pro Arbeitsschritt der Mateπalabtrag in lateraler Richtung bis zu 200 atomare Gitterkonstanten oder Subgitterkonstanten des das Substrat aufbauenden Festkörpers betragtThe present invention relates to a method and a device for structuring substrates, in which local mechanical forces are exerted on the substrate surface via a probe which is in contact with the substrate surface in such a way that covalent, ionic, coordinative, hydrogen bonding, van der Waalssche or Metallic bonds of the solid body structure forming the substrate are broken and thereby material removal in the form of individual atoms, molecules, atom groups and / or radicals takes place from the solid body structure, depending on the substrate material per work step the material removal in the lateral direction up to 200 atomic lattice constants or Sub-lattice constants of the solid body building up the substrate is

Die Ultraprazisionsmateπaibearbeitung stellt immer höhere Anforderungen an die Genauigkeit der Strukturierung, wobei die Grenzen konventioneller Werkzeugmaschinen rasch erreicht sind Der E.nsatz lokaler Sonden bietet nicht nur die Möglichkeit, Oberflachen abzubilden, sonαern auch Materie, sogar Atom für Atom, zu verschieben oder zu positionieren (D M Eigler und E K Schweizer, Nature 344 524 (1990), D M Eigler et al , Phys Rev Lett 66, 1 189 (1991 ), M F Crommie, C P Lutz und D M Eigler, Nature 363, 524 (1993) M F Crommie, C P Lutz und D M Eigler, Science 262, 218 (1993)) Einen Überblick über die Möglichkeiten von Rastersondentechniken bietet die einschlagige Fachliteratur wie z B R Wiesendanger Scannmg Probe Microscopy and Spectroscopy, Cambridge University Press Cambridge, 1994, D Sand Scannmg Force Microscopy, Oxford University Press Oxford 1994, R Wiesendanger, H -J Guπtherodt (Eds ) Scannmg Tunneling microscopy II Springer-Verlag 2 Edition Berlin 1995 Für eine anwendungstechπisch geeignete Ultraprazisionsmateπalbearbeitung ist ein mechanisches Bearbeiten der Probenoberflache in Form einer lokalen Deformation oαer Zerstörung durch lokales .Hammern ' mit einem entsprechenden Sonde wie einer Rastersondenmikroskopspitze als "Naπo-Hammer" nicht ausreichend Zudem treten bei derartigen Mateπalbearbeitungen häufig Probleme hinsichtlich des Abraums in Form abgetragener Partikel auf, die auf der behandelten Oberflache liegenbleiben und diese kontaminieren. Um definiert Mateπalbearbeitung auf atomarer Langenskala durchfuhren zu können, ist es erforderlich, chemische Bindungen unterschiedlicher Art, mit denen die Atome und Moleküle im Festkörper gebunden sind, aufzubrechen und atomare Gitterkonstante für atomare Gitterkonstante Atome aus dem Festkorperverbund zu befreienThe ultra-precision material processing places increasing demands on the accuracy of the structuring, whereby the limits of conventional machine tools are quickly reached. The use of local probes not only offers the possibility to image surfaces, but also to move or position matter, even atom by atom ( DM Eigler and EK Schweizer, Nature 344 524 (1990), DM Eigler et al, Phys Rev Lett 66, 1 189 (1991), MF Crommie, CP Lutz and DM Eigler, Nature 363, 524 (1993) MF Crommie, CP Lutz and DM Eigler, Science 262, 218 (1993)) An overview of the possibilities of scanning probe techniques is provided by the relevant specialist literature such as BR Wiesendanger Scannmg Probe Microscopy and Spectroscopy, Cambridge University Press Cambridge, 1994, D Sand Scannmg Force Microscopy, Oxford University Press Oxford 1994, R Wiesendanger, H -J Guπtherodt (Eds) Scannmg Tunneling microscopy II Springer-Verlag 2 Edition Berlin 1995 Mechanical processing of the sample surface in the form of local deformation or destruction by local hammering with a corresponding probe such as a scanning probe microscope tip as a "Naπo hammer" is not sufficient for application-technically suitable ultra-precision material processing. In addition, problems of spoilage often occur in the case of such material processing removed particles that remain on the treated surface and contaminate it. In order to be able to carry out defined material processing on an atomic length scale, it is necessary to break up chemical bonds of various types with which the atoms and molecules are bound in the solid, and to free atomic lattice constants for atomic lattice constants from the solid-state bond

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, das bzw die eine Mateπalbearbeitung mit einer Präzision im Bereich von einzelnen atomaren Gitterkonstanten auf unterschiedlichsten Materialien wie Metallen, Halbleitern oder Isolatoren ermöglichen soll und gleichzeitig auch in der Lage ist, Strukturen mit größeren Gesamtabmessungen, etwa im Mikrometerbereich bis hin zu Strukturen von 100 um und mehr (Submillimeterbereich), zu erzeugen.The object of the present invention is to provide a method and a device which should enable material processing with a precision in the range of individual atomic lattice constants on a wide variety of materials such as metals, semiconductors or insulators and at the same time is also able to use structures larger overall dimensions, for example in the micrometer range up to structures of 100 µm and more (sub-millimeter range).

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen gekennzeichneten Ausfuhrungsformen gelost.This problem is solved by the embodiments characterized in the claims.

Insbesondere wird ein Verfahren zur Strukturierung von Substraten bereitgestellt, worin auf die Substratoberflache über eine Sonde, die in Kontakt mit der Substratoberflache steht, lokale mechanische Kräfte derart ausgeübt werden, dass kovalente, ionische, koordinative Wasserstoffbrucken-, van der Waalssche und/oder metallische Bindungen des das Substrat aufbauenden Festkorperverbundes gebrochen werden und dadurch ein Mateπalabtrag in Form von einzelnen Atomen, Molekülen, Atomgruppen und/oder Radikalen bzw Ionen aus dem Festkorperverbund erfolgt, wobei in Abhängigkeit von dem Substratmaterial pro Arbeitsschπtt bzw pro Arbeitshub der Materialabtrag in lateraler und/oder senkrechter Richtung bzw in einer Richtung parallel und/oder senkrecht zu einer Substratsebene in der Nahe bzw Umgebung der Sonde bis zu 200, vorzugsweise eine oder wenige, beispielsweise 2 bis 10, besonders bevor- zugt 1 bis 5, am meisten bevorzugt 1 bis 3 atomare Gitterkonstanten oder Subgitterkonstanten des das Substrat aufbauenden Festkörpers betragt Somit wird durch einen Kontakt zwischen der Sonde und der Substratoberflache und durch eine relative Bewegung der Sonde zu dem Substrat parallel und/oder senkrecht zu der Substratsebene eine Kraft auf Atome Moleküle, Atomgruppen und/oder Radikale ausgeübt, um diese von dem Festkörper abzulösen, so daß ein Mateπalabtrag z B im Bereich von etwa 0,1 bis 5 nm pro Arbeitshub bzw Struktuπerungsdurchgang zwischen Sonde und Substartoberflache möglich istIn particular, a method for structuring substrates is provided, in which local mechanical forces are exerted on the substrate surface via a probe that is in contact with the substrate surface in such a way that covalent, ionic, coordinative hydrogen bonds, van der Waalssche and / or metallic bonds of the composite structure of the solid are broken and thereby material removal takes place in the form of individual atoms, molecules, atom groups and / or radicals or ions from the composite structure, the material removal per work step or per work stroke, the material removal in lateral and / or vertical direction Direction or in a direction parallel and / or perpendicular to a substrate plane in the vicinity or surroundings of the probe up to 200, preferably one or a few, for example 2 to 10, particularly preferably is 1 to 5, most preferably 1 to 3 atomic lattice constants or sublattice constants of the solid body constituting the substrate. Thus, contact between the probe and the substrate surface and relative movement of the probe to the substrate parallel and / or perpendicular to the substrate plane a force is exerted on atoms, molecules, groups of atoms and / or radicals in order to detach them from the solid, so that material removal, for example in the range of approximately 0.1 to 5 nm per working stroke or structure passage between the probe and the substrate surface, is possible

Der Begriff Subgitterkonstante umfaßt den Teil einer Gitterkoπstanten, und .Matenalabtrag von Subgitterkonstanten ' bedeutet, dass Teile einer Einheitszelle abgetragen werdenThe term sublattice constant encompasses the part of a lattice constant, and material removal of sublattice constants means that parts of a unit cell are removed

Üblicherweise wird das erfindungsgemaße Verfahren derart durchgeführt, dass, ausgehend von einer vorbestimmten definierten, in die Substratoberflache zu übertragenden Struktur, das Abfahren der Kontur mit der Sonde rechnergesteuert erfolgtThe method according to the invention is usually carried out in such a way that, starting from a predetermined, defined structure to be transferred to the substrate surface, the contour is traversed with the probe in a computer-controlled manner

Vorzugsweise wird die Sonde im Kontakt mit der Substratoberflache des zu strukturierenden Festkörpers gefuhrt und das Aufbrechen der Bindungen erfolgt durch laterale und/oder normale Kräfte, d h Kräfte parallel und/oder senkrecht, bevorzugt im wesentlichen parallel zur Substratoberflache wie z B Reibungskräfte zwischen Sonde und Probe, wobei die lateralen und/oder normalen Kräfte beispielsweise für eine als Sonde dienende AFM-Spitze oder dgl bevorzugt im Bereich von etwa 0,1 nN bis 100 μN, bevorzugt 0,1 nN bis 10 μN, besonders bevorzugt 0,1 nN bis 2,0 μN, am meisten bevorzugt 0,5 nN bis 200 nN liegen Die Sonde kann dabei im Beruhrungskontakt bzw Kontakt mit der zu strukturierenden Substratoberflache ein oder mehrmals die Kontur der zu erzeugenden Struktur auf der Substratoberflache abfahrenThe probe is preferably guided in contact with the substrate surface of the solid to be structured and the bonds are broken up by lateral and / or normal forces, ie forces parallel and / or perpendicular, preferably essentially parallel to the substrate surface, such as frictional forces between the probe and the sample , the lateral and / or normal forces, for example for an AFM tip serving as a probe or the like, preferably in the range from approximately 0.1 nN to 100 μN, preferably 0.1 nN to 10 μN, particularly preferably 0.1 nN to 2 , 0 μN, most preferably 0.5 nN to 200 nN. In contact with or contact with the substrate surface to be structured, the probe can trace the contour of the structure to be produced on the substrate surface one or more times

In einer Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt die Strukturierung dadurch daß die Sonde die in die Oberflache einzubπngene bzw einzufrasende Struktur dadurch erzeugt, dass sie im Beruhrungskontakt mit der zu strukturierenden Substratoberflache ein oder mehrmals die Kontur der zu erzeugenden Struktur auf der Oberflache abfahrt und die Auflagekraft der Spitze auf die Probe so hoch gewählt ist dass bei dem Abtastprozess Bindungen georochen werden und auf diese Weise Atome, Moleküle, Atomgruppen und/oder Radikale bzw Ionen aus dem Festkorperverbund des zu strukturierenden Substrats entfernt werden, wobei zusätzlich zu der Bewegung der Sonde entlang der Kontur der zu erzeugenden Struktur eine periodische oder nichtperiodische Hin- und Herbewegung der Sonde relativ zum Substrat bevorzugt mittels einer modulierten Bewegung mit einer Frequenz bevorzugt im Bereich von zwischen etwa 1 bis 500 kHz, besonders bevorzugt im Bereich von etwa 30 bis 340 kHz und/oder mittels einer (Computer-) gesteuerten periodischen Bewegung mit einer Frequenz im Bereich von etwa 1 bis 5000 Hz, und zwar parallel und/oder senkrecht zur Probenoberflache, bevorzugt im wesentlichen in lateraler Richtung auf der Probenoberfiache mit einer Amplitude im Bereich von bevorzugt etwa 1 bis 100 nm, besonders bevorzugt von etwa 2 bis 40 nm, bevorzugt parallel zur Struktuπerungsπchtung, überlagert ist ("Nanosageverfahren") Vorzugsweise erfolgt die überlagerte Hin- und Herbewegung der Sonde durch eine periodische Variation des Abstandes zwischen dem Substrat bzw der Aufhangung des Substrats und der Sonde bzw der Auf angung der Sonde. Durch die Form der Sonde sowie deren Elastizität resultiert dann auch eine laterale Bewegung zwischen Sonde und Probe, wenn sich der Abstand zwischen dem Substrat und der Sonde bzw. der Sondenaufhangung ändert Die Abstandsvariation kann dabei entweder durch eine Variation der Position des Substrats oder durch eine Variation der Position der Sonde erfolgenIn one embodiment of the present invention, the structuring is carried out in that the probe generates the structure to be inserted or milled into the surface by tracing the contour of the structure to be produced on the surface one or more times in contact with the substrate surface to be structured and the contact force of the surface Tip to the test is chosen as high that bonds are georoched during the scanning process and atoms, molecules, groups of atoms and / or radicals or ions are removed from the composite structure of the substrate to be structured, in addition to the movement of the probe along the contour of the structure to be produced a periodic or non-periodic one Movement of the probe back and forth relative to the substrate preferably by means of a modulated movement with a frequency preferably in the range of between approximately 1 to 500 kHz, particularly preferably in the range of approximately 30 to 340 kHz and / or by means of a (computer) controlled periodic movement with a frequency in the range of approximately 1 to 5000 Hz, namely parallel and / or perpendicular to the sample surface, preferably essentially in the lateral direction on the sample surface with an amplitude in the range of preferably approximately 1 to 100 nm, particularly preferably approximately 2 to 40 nm, preferably parallel to the structure, is superimposed ("Nanosagev experienced ") Preferably, the superimposed reciprocating movement of the probe is carried out by a periodic variation of the distance between the substrate or the suspension of the substrate and the probe or the sensor. The shape of the probe and its elasticity also result in a lateral movement between the probe and the sample if the distance between the substrate and the probe or the probe suspension changes. The distance variation can either be a variation of the position of the substrate or a variation the position of the probe

Die überlagerte feine periodische oder πichtpeπodische Bewegung kann eine lineare Bewegung, eine kreisförmige Bewegung eine beliebige periodische Bewegung mit geschlossener Kontur, eine Bewegung, die wahrend des Abfahrens der Kontur der zu erzeugenden Struktur stets parallel zur lokalen Tangente an diese Konturkurve erfolgt, eine Bewegung, die wahrend des Abfahrens der Kontur der zu erzeugenden Struktur nicht parallel zur lokalen Tangente an diese Konturkurve erfolgt, eine Bewegung, die wahrend des Abfahrens der Kontur der zu erzeugenden Struktur stets parallel zur lokalen Tangente an diese Konturkurve und parallel zu der zu strukturierenden Substratoberflache bzw naherungsweise Daralle! zur lokalen Tangentialebene an die Substratoberflache erfolgt, und/oder e'ne Bewegung, die zusatzlich zu der Komponente der Bewegung innerhalb de^r Ebene bzw der lokalen Tangentialebene der Substratoberflache noch eine Komponente der Bewegung senkrecht zur Substratoberflache enthalt, sein bzw Komponenten hiervon aufweisen Vorzugsweise wird die überlagerte Bewegung ("Sagebewegung") in ihrer Amplitude verstärkt, indem die Anregung als periodische Anregung gewählt wird und die Frequenz dieser periodischen überlagerten Bewegung einer Resonanzfrequenz einer mechanischen Resonanz des Aufbaus der Struktuπerungsvorπchtung, z B der Resonanzfrequenz eines der Piezoelemente, die als Aktoren für die relative Bewegung zwischen Sonde und Substrat dienen, und/oder einer der Resonanzfrequenzen mechanischer Schwingungen der Sonde, die üblicherweise auf einer weichen Biegefeder, dem Cantilever, angeordnet ist, und/oder einer anderen mechanischen Resonanz der Struktuπerungsvorπchtung entspricht Dementsprechend wird die Sonde im wesentlichen kontinuierlich in Kontakt mit der Substratoberflache genalten und längs einer Richtung der Kontur bzw Konturnchtung bewegt (sog „Konturbewegung ') Zusatzlich zu dieser Konturbewegung wird eine weitere Bearbeitungsbeweguπg überlagert, welche folgende Komponenten aufweisen kann eine Komponente senkrecht zu der Konturbewegung, wobei diese Komponente in der Ebene des zu bearbeitenden Substrats und/oder senkrecht hierzu angeordnet sein kann, und/oder eine Komponente parallel zur KonturbewegungThe superimposed fine periodic or πichtpeπodische movement can be a linear movement, a circular movement any periodic movement with a closed contour, a movement that always takes place parallel to the local tangent to this contour curve while traversing the contour of the structure to be generated, a movement that while traversing the contour of the structure to be produced does not take place parallel to the local tangent to this contour curve, a movement which, while traversing the contour of the structure to be generated, always parallel to the local tangent to this contour curve and parallel to the substrate surface to be structured or approximately Daralle ! is carried out to the local tangent plane at the substrate surface, and / or e'ne movement, which additionally to the component or the movement within de ^r plane of the local tangential plane the substrate surface still contains a component of the movement perpendicular to the substrate surface, or have components thereof. The amplitude of the superimposed movement ("sag movement") is increased by selecting the excitation as periodic excitation and the frequency of this periodic superimposed movement of a resonance frequency of mechanical resonance of the structure of the structure, for example the resonance frequency of one of the piezo elements which serve as actuators for the relative movement between the probe and the substrate, and / or one of the resonance frequencies of mechanical vibrations of the probe, which are usually arranged on a soft spiral spring, the cantilever is, and / or corresponds to another mechanical resonance of the structuring device. Accordingly, the probe is substantially continuously in contact with the substrate surface and moved along a direction of the contour or contour direction (so-called “contour In addition to this contour movement, a further machining movement is superimposed, which may have the following components, a component perpendicular to the contour movement, this component being able to be arranged in the plane of the substrate to be machined and / or perpendicular thereto, and / or a component parallel for contour movement

Die relativen Bewegungen zwischen zu strukturierender Festkorperoberflache des Substrats und der Sonde werden üblicherweise mittels Piezoaktoren, magnetischen Antrieben (insbesondere über Membranen) und/oder Schrittmotoren bewerkstelligtThe relative movements between the solid surface of the substrate to be structured and the probe are usually accomplished by means of piezo actuators, magnetic drives (in particular via diaphragms) and / or stepper motors

Als Sonde kann insbesondere die Spitze eines Rastersondenmikroskopes, vorzugsweise die Spitze eines Rasterkraftmikroskopes, eines Rastertunnel- mikroskopes eines optischen Rastemahfeldmikroskopes oder eines Rasteπonenleit- fahigkeitsmikroskopes verwendet werdenIn particular, the tip of a scanning probe microscope, preferably the tip of an atomic force microscope, a scanning tunnel microscope, an optical scanning field microscope, or a scanning conductivity microscope can be used as the probe

Im Rahmen des erfindungsgemaßen Verfahrens werden durch laterale und/oder normale Kräfte zwischen einer Sonde wie beispielsweise der Spitze eines RasterkraftmikroskoDes so hohe Kräfte ausgeübt dass die chemischen Bindungen aufgebrochen oder aktiviert werden Pro Aroeitshub d h pro Uberquerung etwa eines atomaren Defektes einer Stufe oder eines Ranαes einer bereits erzeugten Struktur wird dabei typischerweise eine oder wenige atomare Gitterkonstanten an Material, d h vom das zu strukturierende Substrat aufbauenden Festkörper, abgetragen Dabei erweist es sich als vorteilhaft, die Kontur der gewünschten Struktur abzufahren und die Sonde bzw Spitze wahrend des langsamen ein- oder mehrmaligen Abfahrens rasch mit kleiner Amplitude (bevorzugt im Bereich von etwa 1 bis 100 nm, besonders bevorzugt im Bereich von etwa 5 bis 80 nm) und hoher Frequenz bevorzugt von etwa 1 bis 500 kHz, besonders bevorzugt von etwa 30 bis 340 kHz (bevorzugt bei oder nahe der Frequenz einer mechanischen Resonanz der Strukturiervorrichtung, besonders bevorzugt bei oder nahe der Resonanzfrequenz eines der verwendeten Piezoantπebsmittel oder des Cantiievers bzw der Sonde in Kontakt mit der Probe), zu bewegen, wobei dann beispielsweise bei jedem dieser kleinen Hube wiederum eine oder wenige atomare Gitterkonstanten abgetragen werden Wird pro solchem kleinen Arbeitshub mindestens 0,1 nm, z.B. im Mittel 0,3 nm an Material abgetragen, entspricht dies bei einer Frequenz von beispielsweise 30.000 solchen Mini- Arbeitshuben pro Sekunde immerhin einer Vorschubgeschwindigkeit von 9000 nm oder 9 um pro Sekunde Damit lassen sich Mikrometer-Strukturen rechnergesteuert wie bei einer CNC-Maschine in beliebiger Form innerhalb weniger Sekunden fertigen, ohne dass die Präzision von typischerweise einer atomaren Gitterkonstante pro Arbeitshub verlorengeht Besonders vorteilhaft ist, dass das abgetragene Material in Form niedermolekularer Fragmente vorliegt, die sich durch thermische Bewegung von selbst entfernen Es bleiben also keine "Spane" bzw Abraum als Folge der Mateπalbearbeitung ubπg, was das erfindungsgemaße Verfahren von derzeit im Stand der Technik verfugbaren Struktuπerungsverfahren unterscheidet Infolgedessen eignet sich das erfindungsgemaße Verfahren ausgezeichnet zur Herstellung nano- bzw mikromechanischer Bau-, Struktur- und/oder FunktionselementeIn the context of the method according to the invention, such high forces are exerted by lateral and / or normal forces between a probe, for example the tip of an atomic force microscope, that the chemical bonds are broken or activated per aerodynamic stroke, i.e. per crossing of an atomic defect of a step or a rim of one generated structure Typically, one or a few atomic lattice constants of material, i.e. from the solid body that builds the substrate to be structured, is removed.It proves to be advantageous to trace the contour of the desired structure and the probe or tip rapidly with a smaller one during the slow movement one or more times Amplitude (preferably in the range from about 1 to 100 nm, particularly preferably in the range from about 5 to 80 nm) and high frequency, preferably from about 1 to 500 kHz, particularly preferably from about 30 to 340 kHz (preferably at or near the frequency of one mechanical resonance of the structuring device, particularly preferably at or near the resonance frequency of one of the piezoelectric means used or the cantiever or the probe in contact with the sample), whereby, for example, one or a few atomic lattice constants are then removed per each small stroke such a small working stroke of at least 0.1 nm, e.g. in the middle Removed el 0.3 nm of material, this corresponds to a feed rate of 9000 nm or 9 µm per second at a frequency of, for example, 30,000 such mini working strokes per second. Micrometer structures can be computer-controlled in any form, as with a CNC machine Manufacture within a few seconds, without the precision of typically an atomic lattice constant being lost per working stroke. It is particularly advantageous that the removed material is in the form of low-molecular fragments that remove themselves by thermal movement. There is therefore no "chip" or overburden as a result the material processing ubπg, what distinguishes the inventive method from currently available in the prior art structuring method. As a result, the inventive method is excellently suitable for the production of nano- or micromechanical structural, structural and / or functional elements

Durch das mechanische Herauslosen bzw Entfernen von Atomen und Atomgruppen können durch die Sonde ortsselektiv chemische Reaktionen ausgelost werden Derartige ortsselektive chemischen Reaktionen innerhalb des Festkörpers können beispielsweise mit einem auf der Substratoberflache befindlichen Adsorbatfilm oder mit Reaktanten in der Gasphase ausgelost werden Die zu strukturierende Substratoberflache kann sich dabei in einer Flüssigkeit oder einer Losung befinden Durch aas Herauslosen von Atomen und Atomgruppen können dann ortsselektiv chemiscne Reaktionen innernalb des Festkörpers mit einem auf der Substratoberflache befindlichen Adsorbatfilm, mit der Flüssigkeit oder mit in der flussigen Phase enthaltenen Komponenten oder gelosten Stoffen oder mit in der Flüssigkeit gelosten Gasen ausgelost werden Im Rahmen des erfindungsgemaßen Verfahrens können Oberflächenstrukturen nicht nur durch das Herauslosen von Atomen und Atomgruppen soncern auch durch das Aufbrechen oder Aktivieren von kovalenten Einfach- und Mehrfachbindungen, ionischen Bindungen oder Koordinationsbindungen bzw gemischten Bindungstypen erzeugt werden Die dabei induzierten chemische Reaktionen können durch Kräfte, bevorzugt laterale Kräfte zwischen der Sonde und der Substratoberflache ausgelost oder aktiviert werden Die derart induzierten chemischen Reaktionen können auch unter Anwesenheit eines Katalysators und/oder unter zusätzlichem Einsatz erhöhter Temperaturen erfolgenBy mechanically removing or removing atoms and groups of atoms, the probe can be used to trigger location-selective chemical reactions. Such location-selective chemical reactions within the solid can be triggered, for example, with an adsorbate film on the substrate surface or with reactants in the gas phase are in a liquid or a solution. Aas removal of atoms and groups of atoms can then be site-selective chemical reactions inside the solid with an adsorbate film located on the substrate surface, with the liquid or with components or dissolved substances contained in the liquid phase or with gases dissolved in the liquid can be triggered within the scope of the method according to the invention not only by removing atoms from surface structures and atomic groups are also generated by breaking or activating covalent single and multiple bonds, ionic bonds or coordination bonds or mixed bond types. The chemical reactions induced can be triggered or activated by forces, preferably lateral forces between the probe and the substrate surface Chemical reactions can also take place in the presence of a catalyst and / or with the additional use of elevated temperatures

Im Rahmen des erfindungsgemaßen Verfahrens kann das Entfernen von Atomen oder Atomgruppeπ bzw die lokale Aktivierung chemischer Bindungen und die lokale Auslosung chemischer Reaktionen mittels der Sonde durch die Wechselwirkung mit einer Stufe auf der Substratoberflache erfolgen, indem die Sonde im permanenten oder intermittierenden bzw zeitweisen mechanischen Kontakt mit der Substratoberflache diese Stufe überquert, wodurch dann die vorstehend angeführten Prozesse ausgelost werden E ne derartige Stufe kann eine atomare Stufe, eine Monolagenstufe oder eine Multilagenstufe seinWithin the scope of the method according to the invention, the removal of atoms or atom groups or the local activation of chemical bonds and the local triggering of chemical reactions by means of the probe can take place through the interaction with a step on the substrate surface by the probe being in permanent or intermittent or temporary mechanical contact with the substrate surface crosses this stage, which then triggers the processes mentioned above. Such a stage can be an atomic stage, a monolayer stage or a multilayer stage

Im Rahmen des erfindungsgemaßen Verfahren kann statt einer einzelnen Sonde auch eine Anordnung bzw ein Array bzw Matrix von zwei oder mehreren Sonden verwendet werden, so dass e ne parallele d h gleichzeitige Strukturierung durch mehr als eine Sonde erfolgt E n derartiger Array von Sonden kann beispielsweise zum parallelen bzw gleichzeirgen Schreiben bzw Erzeugen bevorzugt identischer Strukturen verwendet werden Daruberhinaus kann eine Master-Struktur als Array verwendet werden so daß die Struktur des Masters die Struktur der zu erzeugenden Struktur bestimmt (mechanische Replikation durch mechanisch induzierte Mateπal- bearbeitung mittels eines Arravs von lokalen Sonden)In the context of the method according to the invention, an arrangement or an array or matrix of two or more probes can also be used instead of a single probe, so that a parallel, ie simultaneous structuring is carried out by more than one probe. An array of probes of this type can be used, for example, to parallel or, at the same time, writing or generating preferably identical structures can be used. In addition, a master structure can be used as an array so that the structure of the master determines the structure of the structure to be generated (mechanical replication by mechanically induced material processing by means of an array of local probes)

Das zu strukturierende Subsrat kann oeispielsweise aus Isolatoren wie z B wie Calcit Glimmer oder Sι0₂, aus Halbleitern wie z B Si, GaAs ln_yGaAs, Al_xGaAs, Ge, Sι_xGaAs, InP, lnPSi oder GalnAsP, oder aus einem einkπstallinen oder polykπstal- linen Metall oder aufgedampften oder durch Sputtem hergestellten Metall- oder Met- allinselfilmen oder Legierungen davon ausgewählt sein, wobei das Metall beispielsweise Gold, Silber, Kupfer oder Aluminium sein kannThe Subsrat to be structured can, for example, consist of isolators such as Calcite mica or Sι0 ₂ , from semiconductors such as Si, GaAs ln _y GaAs, Al _x GaAs, Ge, Sι _x GaAs, InP, InPSi or GalnAsP, or from a einkπstallinen or polykπstal- linel metal or vapor-deposited or sputtered metal - Or metal island films or alloys thereof can be selected, the metal being for example gold, silver, copper or aluminum

Das erfindungsgemaße Verfahren kann beispielsweise zur Strukturierung von Halb- leiteroberflachen bzw zur Herstellung von isolierenden Graben in elektrisch leitenden Schichten mit einer Breite von etwa 1 bis 300 nm, eingesetzt werden, wobei falls erwünscht eine große Strukturlange von bis zu 100 cm erzeugt werden kann, und zwar im wesentlichen begrenzt durch den Antrieb (z B einen Piezo- oder Schrittmotor) für die Konturbewegung Daruberhinaus kann das erfindungsgemaße Verfahren in vorteilhafter Weise in der Mikro- und Nanoelektronik zur Herstellung von sogenannten „Nanodevices ', beispielsweise zur Herstellung von Leiterbahnen auf integrierten Schaltungen oder Informationseinheiten für die Datenspeicherung, eingesetzt werdenThe method according to the invention can be used, for example, for structuring semiconductor surfaces or for producing insulating trenches in electrically conductive layers with a width of approximately 1 to 300 nm, a large structure length of up to 100 cm being able to be produced if desired, and Although essentially limited by the drive (for example a piezo or stepper motor) for the contour movement, the method according to the invention can also advantageously be used in microelectronics and nanoelectronics for the production of so-called “nanodevices”, for example for the production of conductor tracks on integrated circuits or Information units for data storage are used

Gemäß der Erfindung wird weiterhin eine Vorrichtung zur Struktuπerung von Substraten bereitgestellt, welche eine Sonde aufweist, die in Kontakt mit einer Substratoberflache gebracht werden kann und derart in Kontakt mit der Substratoberflache bewegt wird, dass kovalente, ionische, koordinative, Wasserstoffbrucken-, van der Waalssche und/oder metallische Bindungen des das Substrat aufbauenden Festkor- perverbundes gebrochen werden und dadurch ein Mateπalabtrag in Form von einzelnen Atomen, Molekülen, Atomgruppen und/oder Radikalen aus dem Festkorperverbund durch lokale mechanische Kräfte aufgrund der Bewegung der Sonde erfolgt, wobei in Abhängigkeit von dem Substratmatenal pro Arbeitsschritt der Materialabtrag in lateraler Richtung bzw in einer Richtung parallel zu einer Substratsebene in der Nahe bzw Umgebung der Sonde bis zu 200 vorzugsweise eine oder wenige, beispielsweise 2 bis 10, besonders bevorzugt 1 bis 5, am meisten bevorzugt 1 bis 3 atomare Gitterkonstanten oder Subgitterkonstanten des das Substrat aufbauenden Festkörpers betragt Somit wird durch einen Kontakt zwischen der Sonde und der Substratoberflache und durch eine relative Bewegung der Sonde zu dem Substrat parallel zu der Substratsebene eine Kraft auf Atome Moleküle Atomgruppen und/oder Radikale ausgeübt um diese von dem Festkörper abzulösen, so daß ein Mateπalabtrag z B im Bereich von etwa 0,1 bis 5 nm pro Arbeitshub bzw Struktuπerungsdurch- gang zwischen Sonde und Substartoberflache möglich istAccording to the invention, a device for structuring substrates is further provided which has a probe which can be brought into contact with a substrate surface and is moved into contact with the substrate surface in such a way that covalent, ionic, coordinative, hydrogen bonding, van der Waalssche and / or metallic bonds of the solid body structure that builds the substrate are broken and thereby material removal in the form of individual atoms, molecules, atom groups and / or radicals from the solid body structure occurs due to local mechanical forces due to the movement of the probe, depending on the The material removal per work step in the lateral direction or in a direction parallel to a substrate plane in the vicinity or surroundings of the probe up to 200, preferably one or a few, for example 2 to 10, particularly preferably 1 to 5, most preferably 1 to 3 atomic lattice constants or subgitt constants of the solid body constituting the substrate is thus a force on atoms molecules atom groups and / or by contact between the probe and the substrate surface and by a relative movement of the probe parallel to the substrate plane Radicals are exerted in order to detach them from the solid, so that material removal, for example in the range of approximately 0.1 to 5 nm per working stroke or structure passage between the probe and the substrate surface, is possible

Gemäß einer bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung wird die Sonde derart bewegt, daß zusatzlich zu einer der zu erzeugenden Struktur entsprechenden Konturbewegung eine bevorzugt periodische Bearbeitungsbewegung überlagert wird, welche durch ein rechnergesteuertes Bewegen (bevorzugt ein periodisches Hin- und Herbewegen mit einer Frequenz von 1 bis 5000 Hz) entlang der Struktur und/oder durch ein periodisches Bewegen der Sonde relativ zum Substrat mittels eines periodischen, elektrisch erzeugten Signals und/oder durch Anregen einer Oszillation der Sonde (bevorzugt mit einer Frequenz von zwischen etwa 1 bis 500 kHz, besonders bevorzugt zwischen etwa 30 und 340 kHz, sowie bevorzugt mit einer Amplitude von etwa 1 bis 100 nm, besonders bevorzugt von 2 bis 40 nm) erzeugt wird Dies erfolgt bevorzugt durch geeignet programmierte Steuerschaltungen des Antriebs bzw durch eine entsprechende Programmierung bzw Software für den die Kontur- und Struktuπerungsbewegung steuernden Prozessor, wobei bevorzugt die Struktuπerungsbewegung rechnergestutzt ein- und ausgeschaltet wirdAccording to a preferred embodiment of the invention, the probe is moved in such a way that, in addition to a contour movement corresponding to the structure to be produced, a preferably periodic machining movement is superimposed, which is performed by computer-controlled movement (preferably a periodic back and forth movement with a frequency of 1 to 5000 Hz ) along the structure and / or by periodically moving the probe relative to the substrate by means of a periodic, electrically generated signal and / or by stimulating an oscillation of the probe (preferably with a frequency of between about 1 to 500 kHz, particularly preferably between about 30 and 340 kHz, and preferably with an amplitude of approximately 1 to 100 nm, particularly preferably 2 to 40 nm). This is preferably done by suitably programmed control circuits of the drive or by appropriate programming or software for the contour and structure movement Processor where with preferably the structuring movement is switched on and off with computer support

Die Figuren zeigenThe figures show

Fig 1 zeigt die AFM-Aufnahme eines mittels einem nichtmodulierten Nanomachining bzw DC-Nanomachining gemäß einer bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung strukturierten Rechtecks auf Glimmer Die Breite der Graben betragt ca 5 nm (Scanfeld 150 nm x 150 nm)1 shows the AFM image of a rectangle on mica structured by means of non-modulated nanomachining or DC nanomachining according to a preferred embodiment of the invention. The width of the trenches is approximately 5 nm (scan field 150 nm × 150 nm)

Fig 2 zeigt die AFM-Aufnahme von mit einem Nanosageverfahren gemäß einer bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung erzeugten Graben auf Glimmer (Scanfeld 1 μm x 1 μm)2 shows the AFM image of trenches produced on a mica using a nanosage method according to a preferred embodiment of the invention (scan field 1 μm × 1 μm)

Fig 3 zeigt AFM-Aufnahmen von mittels kraftmoduliertem Nanomachining gemäß einer bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung mit der AFM-Spitze hergestellten Nanostrukturen auf Calcit (a) bzw auf Glimmer (b) (Scanfeld 900 nm x 900 nm in (a)

3 shows AFM images of nanostructures on calcite (a) or on mica (b) produced by means of force-modulated nanomachining in accordance with a preferred embodiment of the invention with the AFM tip (scan field 900 nm × 900 nm in (a)

Fig 4 zeigt die AFM-Aufnahme einer Nanostruktur auf Glimmer hergestellt mittels einem modulierten Nanomachining bzw AC-Nanomachining gemäß einer bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung(Scanfeld 1 2 μm x 1 4 μm)4 shows the AFM image of a nanostructure on mica produced by means of modulated nanomachining or AC nanomachining according to a preferred embodiment of the invention (scan field 1 2 μm x 1 4 μm)

Fig 5 zeigt die AFM-Aufnahme einer feinen Linie in Form einer nanostruktuπerten ,8" auf einem Goldinselfilm (mittlere Dicke 10 nm, Scanfeld 1 μm x 1 μm)5 shows the AFM image of a fine line in the form of a nanostructured 8 "on a gold island film (average thickness 10 nm, scan field 1 μm x 1 μm)

Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die folgenden Ausfuhrungsformen naher erläutert, ohne auf diese beschrankt zu seinThe present invention is explained in more detail with reference to the following embodiments, without being limited thereto

Bei einer bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung wird eine Spitze einer Sonde bzw Cantilever, deren Apex mit Abmessungen bzw Krümmungsradien auf atomarer Skala (d h von einigen Atomdurchmessern) endet, auf eine Oberflache des zu bearbeitenden Substrats aufgelegt und entlang einer vorbestimmten bzw vorbestimmbaren Kontur bzw Pfad mittels einer Konturbewegung bewegt Diese Bewegung wir bevorzugt rechnergesteuert durchgeführt, wobei die Sonde einmal oder mehrmals entlang der gewünschten Kontur gefahren bzw geleitet werden kannIn a preferred embodiment of the invention, a tip of a probe or cantilever, the apex of which ends with dimensions or radii of curvature on an atomic scale (ie of a few atomic diameters), is placed on a surface of the substrate to be processed and along a predetermined or predeterminable contour or path by means of a Contour movement in motion This movement is preferably carried out under computer control, the probe being able to be moved or guided one or more times along the desired contour

Zusätzlich zu der Konturbewegung wird eine bevorzugt periodische Bearbeitungsbewegung überlagert Die periodische Bewegung kann rechnergesteuert sein, und zwar bevorzugt im Frequenzbereich von etwa 1 bis 5000 Hz, und/oder durch Anregung von Oszillationen bzw Schwingungen der Spitze erzeugt sein, und zwar im Frequenzbereich von etwa 1 bis 500 kHz bevorzugt von etwa 30 bis 340 kHz, wobei die periodische Bewegung bevorzugt eine Amplitude von etwa 1 bis 100 nm, besonders bevorzugt von 5 bis 80 nm aufweist wobei die untere Grenze der Amplitude von dem Substrat und die obere Grenze von dem Resonanzverhalten der Sonde abhangt Die Federkonstante der Sonde bzw des Cantilevers betragt bevorzugt 0 01 bis 30 N/m, besonders bevorzugt 0,1 bis 10 N/mIn addition to the contour movement, a preferably periodic machining movement is superimposed. The periodic movement can be computer-controlled, preferably in the frequency range from approximately 1 to 5000 Hz, and / or generated by excitation of oscillations or oscillations of the tip, specifically in the frequency range of approximately 1 to 500 kHz preferably from about 30 to 340 kHz, the periodic movement preferably having an amplitude of about 1 to 100 nm, particularly preferably from 5 to 80 nm, the lower limit of the amplitude of the substrate and the upper limit of the resonance behavior of the Probe depends The spring constant of the probe or cantilever is preferably 01 to 30 N / m, particularly preferably 0.1 to 10 N / m

Trifft die Spitze auT eine Hohenstufe des Substrats welche z B durch ein vorheriges Strukturieren und/oder durch lokale Defekte czw strukturelle Fehlordnungen im Substrat erzeugt wurde, und/oder auf einen Bereich erhöhter Wechselwirkung zwischen der Spitze und dem Substrat (z B durch mechanische und/oder elektrische bze elektrostatische Wechselwirkung) bzw auf Bereiche mit atomaren Defekten (im Großenbereich von 0,1 bis 1 nm), mikroskopische Defekte (im Großenbereich von 1 bis 10 nm) und/oder an mikroskopisch gestörten Bereichen (im Großenbereich von 5 bis 1000 nm), wird die Spitze zurückgehalten bzw bleibt an der Hohenstufe hangen (sog ,,stιck-slιp-Prozess ') und erzeugt durch ihre ruckstellfahigen Eigenschaften eine Kraft bzw einen Druck, welche im wesentlichen in oder parallel zu der Probenebene ausgerichtet ist (sog . laterale Kraft") Die laterale Kraft liegt bevorzugt im Bereich von 10 nN bis 10 μN, so daß die Spitze bzw Sonde kovalente, ionische, koordinative und/oder metallische Bindungen des das Substrat aufbauenden Festkorperverbundes brechen bzw aufheben kann und dadurch ein Mateπalabtrag in Form von einzelnen Atomen, Molekülen, Atomgruppen und/oder Radikalen aus dem Festkorperverbund, bevorzugt entlang einer Lange von etwa 0,1 bis 5 nm pro Amplitude erfolgtDoes the tip meet a high level of the substrate which can be caused, for example, by prior structuring and / or local defects or structural disorders in the Substrate was generated, and / or on an area of increased interaction between the tip and the substrate (e.g. by mechanical and / or electrical or electrostatic interaction) or on areas with atomic defects (in the large range from 0.1 to 1 nm), microscopic Defects (in the large range from 1 to 10 nm) and / or in microscopically disturbed areas (in the large range from 5 to 1000 nm), the tip is held back or gets stuck at the high level (so-called "stick-slip process") and generated due to their resilient properties, a force or pressure which is oriented essentially in or parallel to the sample plane (so-called lateral force). The lateral force is preferably in the range from 10 nN to 10 μN, so that the tip or probe is covalent, Ionic, coordinative and / or metallic bonds of the solid body structure building up the substrate can break or break and thereby material removal in the form of individual atoms, molecules oils, atomic groups and / or radicals from the solid body, preferably along a length of about 0.1 to 5 nm per amplitude

Es ist somit vorteilhaft möglich, Strukturen in Substraten (bevorzugt Isolatoren, wie z.B wie Calcit, Glimmer oder SιO₂, Halbleitern wie z.B Si, GaAs, ln_yGaAs, Al_xGaAs, Ge, Sι_xGaAs, InP, InPSi oder GalnAsP, oder einem einkπstallinen oder polykπstal- liπen Metall oder aufgedampften oder durch Sputtern hergestellten Metall- oder Met- allinselfiimen oder Legierungen davon) vorzusehen, welche eine atomare Präzision, jedoch gleichzeitig eine Grosse von bis zu 500 μm vorteilhaft aufweisen können, wobei diese Strukturen in einer Zeit zwischen etwa 0,5 bis 15 sec erzeugt werden könnenIt is thus advantageously possible to structure in substrates (preferably insulators such as calcite, mica or SiO ₂ , semiconductors such as Si, GaAs, In _y GaAs, Al _x GaAs, Ge, Si _x GaAs, InP, InPSi or GalnAsP, or to provide a single or polyketal metal or vapor-deposited or sputtered metal or metal island films or alloys thereof) which can have an atomic precision but at the same time advantageously have a size of up to 500 μm, these structures in one time can be generated between about 0.5 to 15 sec

Nachfolgend werden spezielle Bearbeitungsverfahren bzw -Vorrichtungen gemäß bevorzugten Ausfuhrungsformen der Erfindung beschriebenSpecial processing methods and devices according to preferred embodiments of the invention are described below

1. Nichtmoduliertes Nanomachining1. Non-modulated nanomachining

Bei dieser Ausfuhrungsform αes erfindungsgemaßen Verfahrens bzw Vorrichtung (welches ebenfalls aufgrund der an einem Piezoelement einer Antriebsvorrichtung angelegten DC Spannung DC-Nanomachining genannt wird) wird mit entsprechend hoher Auflagekraft bevorzugt TΠ Bereich von etwa 10 nN bis 10 μN die zu erzeugende Struktur rechnergesteuert periodisch abgefanren, wobei die Strukturierung an natürlich vorhandenen oder im Laufe des Scans von der Spitze erzeugten Defekten oder an atomaren Stufen einsetzt. Die hohen lateralen Kräfte bei der Wechselwirkung einer Sonαe wie beispielsweise einer AFM-Spitze mit einer Stufe bzw. einem Defekt ("stick- slip-Prozess") in der zu strukturierenden Substratoberflache fuhren zur Auftrennung kovalenter bzw. ionischer Bindungen in dem Festkorperverbund. Pro Scan, d.h. pro Überquerung etwa einer atomaren Stufe mit der AFM-Spitze wird typischerweise eine Gitterkonstante abgetragen Die Abtragung erfolgt gleichmassig gitterkonstantenweise wahrend des Struktuπerungsprozesses, so dass das abgetragene Material in Form von niedermolekularen Fragmenten vorliegt, die auf der Oberflache diffundieren können Auf diese Weise wird in vorteilhafter Weise das Entstehen von Abraum in Form abgetragener Partikel, die auf der Oberflache liegenbleiben und diese verschmutzen bzw kontaminieren, vermieden Dieses Verfahren gemäß einer Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung kann z.B. an Isolatoren, wie z.B. frischen Spaltflächen von Calcit und Glimmer, aber auch an Metallen wie z.B. Gold, Silber, Kupfer oder Aluminium durchgeführt werden. Gemäß αer vorliegenden Erfindung werden für die Strukturierung laterale Kräfte in der Größenordnung von entwa 10 nN bis 10 μN verwendet. Während der erzielbare Vorschub jeweils nur ca. eine Gitterkonstante pro Arbeitszyklus betragen kann, liegt die erzielbare minimale Breite der erzeugten Linien bedingt durch die Spitze-Probe-Kontaktflacne beispielsweise bei ca. 4-5 nm Die Tiefe der erzieibaren Strukturen kann von eιne^r einzelnen Monoschicht (d h Strukturtiefe von einer Gitterkonstante) bis zu einigen -uπdert Nanometern je nach verwendeter Auflagekraft und Zyklenzahl reichen Im Fall von Glimmer, der eine kompliziertere Elementarzelle aufweist, lassen sich in Übereinstimmung mit einer Zwiscnenebene in der Kristall Struktur auch Strukturen mit einer Tiefe von ca. einer halben Gitterkonstanten erzielen Fig 1 zeigt ein Beispiel einer so erzeugten Nanostruktur in Glimmer (Linienbreite ca 5 nm).In this embodiment of the method or device according to the invention (which is also called DC nanomachining due to the DC voltage applied to a piezo element of a drive device), the correspondingly high contact force preferably has a TΠ range of about 10 nN to 10 μN that is to be generated Structure periodically intercepted by computer control, whereby the structuring starts on defects that are naturally present or generated during the scan by the tip or on atomic stages. The high lateral forces in the interaction of a probe, such as an AFM tip with a step or a defect (“stick-slip process”) in the substrate surface to be structured, lead to the separation of covalent or ionic bonds in the solid body. A lattice constant is typically removed per scan, ie per crossing of an atomic level with the AFM tip. The removal takes place uniformly during the structuring process, so that the removed material is in the form of low-molecular fragments that can diffuse on the surface in this way the formation of overburden in the form of ablated particles which remain on the surface and contaminate or contaminate it is advantageously avoided. This method according to one embodiment of the present invention can be used, for example, on insulators, such as fresh cracked surfaces of calcite and mica, but also on Metals such as gold, silver, copper or aluminum can be carried out. According to the present invention, lateral forces on the order of approximately 10 nN to 10 μN are used for the structuring. While the recoverable feed can just be a lattice constant per operating cycle, respectively, is the attainable minimum width of the lines generated due to the tip-sample Kontaktflacne nm, for example at approximately 4-5 The depth of the erzieibaren structures can of eιne ^r single monolayer (ie structure depth from a lattice constant) to a few nanometers depending on the applied contact force and number of cycles are sufficient. In the case of mica, which has a more complicated unit cell, structures with a depth of approx. achieve half a lattice constant FIG. 1 shows an example of a nanostructure in mica produced in this way (line width approx. 5 nm).

2. Nanosägeverfahren2. Nano sawing process

Im Rahmen von Untersuchungen hinsieht¹ cn der Abhängigkeit der Strukturierung von der Lateralkraft zwischen Sonde unα Prcce wurde festgestellt, dass unterhalb eines Schwellenwertes der Lateralkraft keine Strukturierung erfolgt und dass αie Strukturierung vor allem auf die erhöhte Lateralkraft zwischen Sonde und Probe auf Grund von stick-slip-Prozessen an Defekten und Stufen zurückzuführen ist Dies bedeutet wiederum dass für eine möglichst rasche Strukturierung die Sonde möglichst häufig einen Defekt bzw eine Stufe überqueren sollte, wobei bei jeder solchen Uberquerung eine Gitterkonstante abgetragen wird Dies wird beim Nanosageverfahreπ bzw - Vorrichtung als einer weiteren Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung gezielt ausgenutzt Ein bestehender Graben in der Oberflache des zu strukturierenden Substrats wird dadurch gezielt verlängert, dass die Sonde sich in der gewünschten Struktuπerungsπchtung periodisch vor- und zuruckbewegt, und zwar bevorzugt mit einer Frequenz von 1 bis 5000 Hz, wahrend gleichzeitig ein langsamer Vorschub (bevorzugt um einen Faktor 3 bis 3000 langsamer als der Ebtrag der Geschwindigkeit der periodischen Bewegung) die Sonde bzw Spitze kontinuierlich längs der zu generierenden Struktur bewegt (sog ,Konturbewegung ') Sowohl die schnelle Sagebewegung als auch der langsamere Vorschub erfolgen üblicherweise rechnergesteuert in der Ebene der Substrat- bzw Probeπoberflache Wird pro Zyklus der Vorschub kleiner als eine atomare Gitterkonstaπte des Festkörper, aus welchem das zu behandelnde Substrat aufgebaut ist, gewählt, so erfolgt eine Strukturierung des Substrats bzw der Probe Ist der Vorschub jedoch großer als dieser Wert, so wird der strukturierte Bereich verlassen, die Sagebewegung erfolgt dann auf atomar glatter Oberflache ohne Stufen, mit der Folge, dass keine Strukturierung erfolgt Ebensowurde festgestellt, dass der maximal erzielbare Vorschub proportional der eingestellten Sagefrequenz ist Das beispielhafte Ergebnis einer gemäß dieser Ausfuhrungsform des vorliegenden Verfahrens erzeugten Oberflachenstruktuπerung ist in Fig 2 abgebildet Fig 2 zeigt die AFM-Aufnahme von mit dem Nanosageverfahren erzeugten Graben auf Glimmer (Scanfeld 1 μm x 1 μm) Die weißen Pfeile markieren einen Startgraben von dem aus jeweils mit Sagebewegung senkrecht zum Startgraben strukturiert wurde Die Vorschubrate wurde von Position 1 bis Position 9 sukzessive erhöht Sobald die Vorschubrate die Große einer Gitterkonstanten übersteigt (ab Position 8) erfolgt keine Strukturierung mehr Ausgehend von einem mit dem AFM nach der vorstehend angeführten DC- Nanomachining-Technik strukturierten Graben (in Fig 2 oben waagrecht, s Pfeile) wurden senkrecnt zur Grabenrichtung mit fester Frequenz und steigender Vorschubrate an den mit 1 bis 9 markierten Positionen Graben strukturiert (im dargestellten Beipsiel weist jeder Graben eine Breite von etwa 12 nm auf und der Abstand zwischen benachbarten Graben betragt zwischen etwa 70 und 90 nm) Bei den Graben 1 bis 7 stieg die Vorschubrate von Graben 1 bis Graben 7 an, lag aber in allen sieben Fallen unterhalb von einer Gitterkonstante pro Sagezyklus Trotz steigender Vorschubrate findet man hier keine systematischen Unterschiede in Grabenbreite, Tiefe und Lange Bei den Positionen 8 bis 9 hingegen lag die Vorschubrate oberhalb dieses Wertes Folglich kommt es nicht mehr zu einer StrukturierungIn the context of investigations, ¹ cn considers the dependence of the structuring on the lateral force between the probe and α Prcce it was found that no structuring takes place below a threshold value of the lateral force and that αie Structuring is mainly due to the increased lateral force between the probe and the sample due to stick-slip processes on defects and steps.This in turn means that for a structuring that is as quick as possible, the probe should cross a defect or step as often as possible, with each such Crossing over a lattice constant is used in a targeted manner in the nanosage method or device as a further embodiment of the present invention. An existing trench in the surface of the substrate to be structured is deliberately lengthened in that the probe moves forward and backward periodically in the desired structuring direction. preferably at a frequency of 1 to 5000 Hz, while at the same time a slow feed (preferably a factor of 3 to 3000 slower than the speed of the periodic movement) continuously moves the probe or tip along the structure to be generated Both the fast sagging movement and the slower feed are usually computer-controlled in the plane of the substrate or sample surface. If the feed per cycle is less than an atomic lattice constant of the solid from which the substrate to be treated is made, selected, the substrate or the sample is structured, however, if the feed rate is greater than this value, the structured area is exited, the sagging movement then takes place on an atomically smooth surface without steps, with the result that no structuring takes place The maximum achievable feed is proportional to the set sawing frequency. The exemplary result of a surface structure generated in accordance with this embodiment of the present method is shown in FIG. 2. FIG. 2 shows the AFM image of trenches produced using the nanosage method on mica (scan field 1 μm × 1 μm) w White arrows mark a starting trench from which structure was carried out perpendicularly to the starting trench with a sag movement. The feed rate was increased successively from position 1 to position 9 As soon as the feed rate exceeds the size of a lattice constant (from position 8) there is no structuring anymore Starting from one with the AFM Trenches structured according to the DC nanomachining technique mentioned above (horizontal in FIG. 2 above, s arrows) were structured trenches perpendicular to the direction of the trench with a fixed frequency and increasing feed rate at the positions marked 1 to 9 (in Example shown, each trench has a width of about 12 nm and the distance between adjacent trenches is between about 70 and 90 nm). For trenches 1 to 7, the feed rate increased from trench 1 to trench 7, but was below in all seven cases of a lattice constant per sag cycle Despite increasing feed rate, there are no systematic differences in trench width, depth and length. In positions 8 to 9, however, the feed rate was above this value. As a result, there is no structuring

Ohne daran gebunden zu sein, wird festgestellt, dass der für die Strukturierung erforderliche Sagehub durch erhöhte laterale Kräfte wahrend eines stick-slip- Prozesses erreicht wird Im allgemeinen findet sich ein Minimalwert für den Sagehub, unterhalb dessen keine Strukturierung erfolgt. Dieser Minimalhub ist bei Strukturierung in Richtung der Cantiiever-Achse indirekt proportional zur Biegefederkonstante des verwendeten Cantilevers und stimmt üblicherweise quantitativ mit der zur Auslosung eines stick-slip-Prozesses erforderlichen Cantileverauslenkung an der jeweils zu strukturierenden Stufe ubereinWithout being bound by it, it is found that the sag stroke required for the structuring is achieved by increased lateral forces during a stick-slip process. In general, there is a minimum value for the sag stroke, below which no structuring takes place. When structuring in the direction of the cantiiever axis, this minimum stroke is indirectly proportional to the bending spring constant of the cantilever used and usually corresponds quantitatively to the cantilever deflection required for the triggering of a stick-slip process at the stage to be structured

Die Strukturierung kann bevorzugt durch eine direkte laterale Modulation, vorzugsweise eines Scannerpiezos des Substrats bzw der Probe oder des Cantilevers, durch einen piezoelektrischen Modulationsantrieb an der Cantiiever- und/oder Substrathalterung und/oder durch eine vertikale Modulation (Z-Hub) des Scannerpiezos des Substrats oder Cantilevers erfolgenThe structuring can preferably be carried out by direct lateral modulation, preferably by a scanner piezo of the substrate or the sample or the cantilever, by a piezoelectric modulation drive on the cantilever and / or substrate holder and / or by vertical modulation (Z-stroke) of the scanner piezo of the substrate or cantilevers

3. Kraftmoduliertes Nanomachining3. Force modulated nanomachining

Eine weitere Ausfuhrungsform des erfindungsgemaßen Verfahrens bzw der erfindungsgemaßen Vorrichtung ist das sogenannte kraftmodulierte Nanomachining Befindet sich die Sonde wie z B eine AFM-Spitze im Kontakt zur Probenoberflache und wird die vertikale Position der Probenoberflache relativ zu dem Cantilever bzw der Sonde bevorzugt mittels eines Piezoelements verändert und zwar bevorzugt sinusförmig oder periodisch moduliert so fuhrt dies nicht nur zu einer periodischen Modulation der Auflagekraft sondern aufgrund der festen Lange αes AFM-Cantilevers auch zu einer lateralen Bewegung der AFM-Spitze auf der Probenoberflache längs der Cantilever-Achse Diese laterale Bewegung lasst sich anstelle bzw zusätzlich zu der rechnergesteuerten Sagebewegung für das oben beschriebene Nano-Sageverfahren einsetzen Auch hier wird eine Mindestauslenkung beobachtet, die für die Strukturierung erforderlich ist Es wurde festgestellt, dass der für die Strukturierung erforderliche vertikale Hub genau so groß sein muss, dass die daraus resultierende laterale Bewegung der Spitze auf der Probenoberflache für die Auslosung von stick- slip-Prozessen über die zu strukturierende Stufe ausreicht Wird als Frequenz für die sinusförmige vertikale Anregung eine Resonanzfrequenz von Piezoelement oder Cantilever gewählt, so lasst sich die resultierende Resonanzuberhohung für die Erzielung höherer Amplituden bei gegeoener Anregungsamplitude nutzenAnother embodiment of the method according to the invention or the device according to the invention is the so-called force-modulated nanomachining. If the probe, such as an AFM tip, is in contact with the sample surface and the vertical position of the sample surface relative to the cantilever or the probe is preferably changed by means of a piezo element and Although preferably modulated sinusoidally or periodically, this not only leads to a periodic modulation of the contact force but also due to the fixed length of the AFM cantilever also for a lateral movement of the AFM tip on the sample surface along the cantilever axis. This lateral movement can be used instead of or in addition to the computer-controlled sagging movement for the above-described nano-sagging process. Here, too, a minimum deflection is observed, which is necessary for the structuring It was found that the vertical stroke required for the structuring must be sufficiently large that the resulting lateral movement of the tip on the sample surface is sufficient for the triggering of stick-slip processes over the stage to be structured. It is used as the frequency for the sinusoidal vertical excitation, if a resonance frequency of the piezo element or cantilever is chosen, the resulting resonance increase can be used to achieve higher amplitudes with a given excitation amplitude

Bei Anregungsfrequenzen im Bereich zwischen 10 kHz und 60 kHz lassen sich somit 10.000 bis 60 000 Sagezyklen pro Sekunde erzielen, was einer Erhöhung der Struktuπerungsgeschwindigkeit im Vergleich zum Verfahren des DC-Nanomachining um etwa vier Größenordnungen entspricht Als Funktion der Anregungsamplitude der vertikalen Probenbewegung lassen sicn zwei Bereiche unterscheiden Unterhalb eines Grenzwertes (etwa 100 nm) der Anregungsamplitude bleibt die AFM-Spitze im Kontakt mit der Probenoberflache Der Mittelwert der Cantileverauslenkung ist in erster Näherung unabhängig von der Anregungsamplitude Eine Reibungshysterese zwischen Hin- und Rucklauf des Scans zeigt das Vorhandensein lateraler Kräfte Bei Erreichen des Grenzwertes der Anregungsamplitude verliert der Cantilever periodisch den Kontakt zur Probenoberflache D e Reibungshysterese bricht zusammen und das Auftreten des mechanischen Dioceneffektes - d h steigender Mittelwert der Cantileververbiegung mit steigender Anregungsamplitude - zeigt das periodische Abheben der AFM-Spitze von der ^Probenoberflache Bis zum Erreichen dieses Grenzwertes der Amplitude lasst e'πe Strukturierung der Oberflache mit der AFM- Spitze durchfuhren Oberhalb dieses Wertes hingegen findet trotz höherer Anregungenergien des Cantilevers ke ne Oberflachenstruktuπerung mehr statt, was in Übereinstimmung mit dem Mechanismus der Strukturierung durch laterale Kräfte stehtWith excitation frequencies in the range between 10 kHz and 60 kHz, 10,000 to 60,000 sag cycles per second can thus be achieved, which corresponds to an increase in the structuring speed by approximately four orders of magnitude compared to the method of DC nanomachining. As a function of the excitation amplitude of the vertical sample movement, two can be left Differentiate areas Below a limit value (approx. 100 nm) of the excitation amplitude, the AFM tip remains in contact with the sample surface.At first approximation, the mean value of the cantilever deflection is independent of the excitation amplitude.A friction hysteresis between the scan's back and forth shows the presence of lateral forces when reached of the limit value of the excitation amplitude, the cantilever periodically loses contact with the sample surface. The friction hysteresis breaks down and the occurrence of the mechanical diocene effect - ie increasing mean value of the cantilever deflection with increasing excitation ampli tude - shows the periodic lifting of the AFM tip from the ^P robes upper flat Until reaching this limit, the amplitude let e'πe structuring the surface with the AFM tip through drove Above this value, however, is despite higher excitation energies of the cantilever ke ne Oberflachenstruktuπerung more place which is consistent with the mechanism of structuring by lateral forces

Ein beispielhaftes Ergebnis der Nanostruktuπerung durch kraftmoduliert.es Nanomachining im Kontaktbereich a„^τ Calcit bzw Glimmer ist in Fig 3a aufgeführt Fig 3 zeigt AFM-Aufnahmen von mittels kraftmoduliertem Nanomachining mit einer AFM-Spitze hergestellten Nanostrukturen auf (a) Calcit in Form einer "8" bzw (b) auf Glimmer in Form einer Gitterlinienstruktur (Scanfeld 900 nm x 900 nm in Fig 3(a), 250 nm x 250 nm in Fig 3 (b)) Die minimale Tiefe in Fig 3 (b) betragt ca 0,5 nm, was etwa einer halben Einheitszelle von Glimmer ("Zwischenschicht" innerhalb der Einheitszelle von Glimmer) entsprichtAn exemplary result of the nanostructuring by force-modulated nanomachining in the contact area a “ ^τ calcite or mica is shown in FIG. 3a 3 shows AFM images of nanostructures produced by means of force-modulated nanomachining with an AFM tip on (a) calcite in the form of an “8” or (b) on mica in the form of a grid line structure (scan field 900 nm × 900 nm in FIG. 3 (a ), 250 nm x 250 nm in FIG. 3 (b)) The minimum depth in FIG. 3 (b) is approximately 0.5 nm, which corresponds to approximately half a unit cell of mica (“intermediate layer” within the unit cell of mica)

4. Moduliertes Nanomachining mittels Cantilever-Anregung4. Modulated nanomachining using cantilever excitation

Die Ausfuhrungsform des erfindungsgemaßen Verfahrens bzw der erfindungsgemaßen Vorrichtung nach Punkt 3, supra, lasst sich auch durchfuhren, indem die relative Bewegung in vertikaler Richtung zwischen Probenoberflache und Aufhangung des Cantilevers nicht durch Modulation der vertikalen Position der Probe, sondern der des Cantilevers erfolgt (aufgrund der an einem Piezoelement einer Antπebsvorπchtung für den Cantilever angelegten AC-Spannung wird diese Art der Strukturierung auch „AC-Nanomachining genannt)The embodiment of the method according to the invention or the device according to the invention according to item 3, supra, can also be carried out by the relative movement in the vertical direction between the sample surface and the suspension of the cantilever not being done by modulating the vertical position of the sample, but that of the cantilever (due to the This type of structuring is also called “AC nanomachining” on a piezo element of a device for the AC voltage applied to the cantilever.

Fig. 4 zeigt die AFM-Aufnahme einer dergestalt erhaltenen Nanostruktur auf Glimmer, hergestellt mitteis AC-Nanomachining (Scanfeld 1 ,2 μm x 1 ,4 μm) Die Struktur wurde mit der gleichen Spitze mittels Rasterkraftmikroskopie abgebildet, die auch zur Strukturierung verwendet wurde Die Langzeitstabilitat solcher Strukturen wurde über mehrere Wochen hinweg überprüft Beispielhaft wurden mit einem V-formigen Siliziumnitπd-Cantilever eines Rasterkraftmikroskopes mit pyramidenförmiger Spitze bei einer Resonanzfrequenz des Anregungspiezos (38,8 kHz) die Konturen der Ziffern 2, 0, 0, 0 sukzessive rechner-gesteuert abgefahren, wobei die Auflagekraft der Spitze auf die Probe einschließlich der Kapillarkraft bei etwa 0,1 μN lag und dem Abfahren der Kontur eine rasche sinusförmige periodische Bewegungskomponente der Spitze des Cantilevers auf der Probe in lateraler Richtung, d h parallel zur Probenoberflache überlagert war Für die Bewegung der Spitze zwischen den Ziffern wurde diese Bewegung ausgesetzt, so dass dort keine Strukturierung erfolgte Die Frequenz der periodischen Bewegung lag in der Größenordnung von 40 kHz Die kleine periodische Bewegung erfolgte mittels eines Sinus-SDannungsgenerators, die Bewegung längs der zu strukturierenden Kontur ("2000" n FIG 4) erfolgte rechnergesteuert Die überlagerte kleine periodische Bewegung wird bevorzugt auf eine Resonanzfrequenz des Piezos eingestellt, der als Aktor für die Durchfuhrung dieser Bewegung verwendet wurde Auch die Gatespannung zum Ein- und Ausschalten der Sinusspannung wird automatisch von der Rechner-Software gesteuert Die mechanische Bewegung der Spitze des Rasterkraftmikroskopes auf der Probe kann durch Piezoeiemente bewerkstelligt werden Die gezeigte Struktur wurde in die Oberfläche von weißem Glimmer (Muskovit) eingeschriebenFIG. 4 shows the AFM image of a nanostructure on mica obtained in this way, produced by means of AC nanomachining (scan field 1.2 μm × 1.4 μm). The structure was imaged with the same tip by means of atomic force microscopy, which was also used for the structuring The long-term stability of such structures was checked over several weeks. For example, the contours of the digits 2, 0, 0, 0 were successively computer-controlled using a V-shaped silicon cantilever of a scanning force microscope with a pyramid-shaped tip at a resonance frequency of the excitation piezo (38.8 kHz) traversed, the contact force of the tip on the sample including the capillary force was about 0.1 μN and a rapid sinusoidal periodic movement component of the tip of the cantilever was superimposed on the sample in the lateral direction, ie parallel to the sample surface, for the movement of the contour the point between the digits became this move exposed, so that there was no structuring. The frequency of the periodic movement was in the order of 40 kHz. The small periodic movement was carried out by means of a sinusoidal voltage generator, the movement along the contour to be structured ("2000" n FIG. 4) was computer-controlled superimposed small periodic movement is preferably set to a resonance frequency of the piezo, which was used as an actuator for performing this movement. The gate voltage for switching the sinusoidal voltage on and off is also controlled automatically by the computer software. The mechanical movement of the tip of the atomic force microscope on the Sample can be accomplished using piezo elements. The structure shown was inscribed on the surface of white mica (muscovite)

Bevorzugt wird bei getrennt voneinander vorzusehenden Strukturen (im gezeigten Beispiel eine „2" und drei getrennte „0") eine erste Struktur bzw. Kontur mit oszillierender Spitze bzw Sonde bzw Cantilever bearbeitet, dann wird die Oszillation abgeschaltet und bei Aufrechterhaltung des Kontakts zwischen Cantilever und Substrat eine Anfangsposition einer zweiten getrennt vorzusehenden Struktur angefahren. Erst bei erreichter Anfangsposition der zweiten Struktur wird die Oszillation des Cantilevers wieder angeschaltet und die zweite Struktur bzw Kontur bearbeitet Dieser Vorgang wird ebenfalls für jede weitere getrennt vorzusehende Struktur wiederholt. Falls erwünscht, kann die Sonde ebenfalls jede einzelne Struktur sequentiell weiterbearbeiten, d.h es wird wie folgt verfahren: 1 Struktur bearbeiten, Oszillation ausschalten, zu 2. Struktur unter Kontakt Sonde/Substrat verschieben, Oszillation einschalten, 2 Struktur bearbeiten, Oszillation ausschalten, zu 1 Struktur unter Kontakt Sonde/Substrat verschieben, Oszillation einschalten, wieder 1 Struktur bearbeiten, uswWith structures to be provided separately from one another (in the example shown, a “2” and three separate “0”), a first structure or contour with an oscillating tip or probe or cantilever is machined, then the oscillation is switched off and, while maintaining contact between the cantilever and Substrate approached an initial position of a second structure to be provided separately. Only when the initial position of the second structure has been reached is the oscillation of the cantilever switched on again and the second structure or contour machined. This process is also repeated for each further structure to be provided separately. If desired, the probe can also continue to process each individual structure sequentially, i.e. the procedure is as follows: 1 Edit structure, switch off oscillation, 2. Move structure under contact probe / substrate, switch on oscillation, 2 Edit structure, switch off oscillation, for 1 Move structure under contact probe / substrate, switch on oscillation, process 1 structure again, etc

Auch in dieser Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung lassen sich in Abhängigkeit vom Spitze-Probe-Abstand und der Modulationsamplitude die beiden oben genannten Bereiche des permanenten Spitze-Probe-Kontaktes und des periodischen Abhebens der AFM-Spitze von der Probe (sog Hammern ) unterscheiden Oberhalb eines kritischen Wertes der Anregungsamplitude, der stark von der Art des verwendeten Cantilevers und der verwendeten Anregungsfrequenz abhangt wird trotz höherer Anregungenergien des Cantilevers im allgemeinen keine Oberflachenstruktuπerung festgestellt was in Übereinstimmung mit dem Mechanismus der Struktuπe jng durch laterale Kräfte steht Mit dem kraftmodulierten Nanomachining-Verfahren lasst sich beispielsweise auf Goldoberflacheπ der schonende Abtrag von Material mit einem Vorschub von der Größenordnung von einer Gitterkoπstante je Arbeitshub erreichen Ohne daran gebunden zu sein, scheint der, dieser Ausfuhrungsform zugrundeliegende Mechanismus auf durch die Sonde, wie z B eine AFM-Spitze, aktivierte Oberflachendiffusionsprozesse auf atomarer Skala zu beruhen Diese Ausfuhrungsform des erfindungsgemaßen Verfahrens eignet sich für die definierte Herstellung von Nanostegen, die nicht nur eine bestimmte Breite, sondern auch eine genau einstellbare Schichtdicke haben sollen Fig 5 zeigt die AFM-Aufnahme einer feinen Linie in Form einer nanostruktuπerten „8" auf einem Goldinselfilm (mittlere Dicke 10 nm) Die mittels Nanomachining erzeugte Linie hat eine Halbwerts breite von ca 8 nm Es wurde eine Spitze aus Sι₃N verwendet Die Auflagekraft wahrend der Strukturierung betrug etwa 10^"7 N Deutlich erkennbar ist, dass die einzelnen Metallinseln nicht verschoben, sondern ohne Aufwerfungen an den Randern durchtrennt werden Auf diese Weise ist es demgemäß beispielsweise möglich, auf aufgedampften bzw aufgesputterten Goldfilmen einzelne Goldinselπ mit der AFM- Spitze zu durchschneiden (s Pfeil in Fig 5), wobei die Strukturtiefe über die Dauer des Struktuπerungsprozesses einstellbar ist In this embodiment of the present invention, depending on the tip-sample distance and the modulation amplitude, the two above-mentioned areas of permanent tip-sample contact and the periodic lifting of the AFM tip from the sample (so-called hammers) can be distinguished above one critical value of the excitation amplitude, which strongly depends on the type of cantilever used and the excitation frequency used, in spite of higher excitation energies of the cantilever, no surface structure is generally found, which is in agreement with the mechanism of the structure by lateral forces With the force-modulated nanomachining method, for example, the gentle removal of material on a gold surface can be achieved with a feed of the order of magnitude of a lattice constant per working stroke. The mechanism underlying this embodiment appears to be bound by the probe, such as, for example, without being linked to this AFM tip to base activated surface diffusion processes on an atomic scale. This embodiment of the method according to the invention is suitable for the defined production of nanostats, which should not only have a certain width but also an exactly adjustable layer thickness. FIG. 5 shows the AFM image of a fine line in the form of a nanostructured "8" on a gold island film (average thickness 10 nm) The line produced by nanomachining has a half width of approximately 8 nm. A tip made of Si ₃ N was used. The contact force during the structuring was about 10 ^"7 N clearly it can be seen that the individual metal islands are not shifted, but are severed without throwing up on the edges. In this way it is accordingly possible, for example, to cut through individual gold islands on vapor-deposited or sputtered gold films with the AFM tip (see arrow in FIG. 5), the structure depth being over the Duration of the structuring process is adjustable

Claims

AnsprücheExpectations

1 Verfahren zur Strukturierung von Substraten, worin auf die Substratoberflache über eine Sonde, die in Kontakt mit der Substratoberflache steht, lokale mechanische Kräfte derart ausgeübt werden, dass kovalente, ionische, koordinative, Wasserstoffbrucken-, van der Waalssche und/oder metallische Bindungen des das Substrat aufbauenden Festkorperverbundes gebrochen werden und dadurch ein Mateπalabtrag in Form von einzelnen Atomen, Molekülen, Atomgruppen und/oder Radikalen bzw. Ionen aus dem Festkorperverbund erfolgt, wobei in Abhängigkeit von dem Substratmateπal pro Arbeitsschritt der Mateπalabtrag in lateraler Richtung bis zu 200 atomare Gitterkoπstanten oder Subgitterkonstanten des das Substrat aufbauenden Festkörpers betragt1 Process for structuring substrates, in which local mechanical forces are exerted on the substrate surface by means of a probe which is in contact with the substrate surface in such a way that covalent, ionic, coordinative, hydrogen bonding, van der Waalssche and / or metallic bonds of the Solid-state composite building up substrate are broken and thereby material removal takes place in the form of individual atoms, molecules, atom groups and / or radicals or ions from the solid body composition, depending on the substrate material per work step the material removal in the lateral direction up to 200 atomic lattice constants or sublattice constants of the solid building up the substrate

2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei pro Arbeitsschritt der Mateπalabtrag 1 bis 3 atomare Gitterkonstanten oder Subgitterkonstanten beträgt.2. The method according to claim 1, wherein the material removal is 1 to 3 atomic lattice constants or sublattice constants per work step.

3 Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Sonde im Kontakt mit der Oberflache des zu strukturierenden Substrats gefuhrt wird und das Aufbrechen der Bindungen durch laterale und/oder normale Kräfte zwischen Sonde und Probe erfolgt, wobei die lateralen und/oder normalen Kräfte für eine als Sonde dienende AFM-Spitze bevorzugt im Bereich von etwa 0,1 nN bis 100 μN liegen3. The method of claim 1 or 2, wherein the probe is guided in contact with the surface of the substrate to be structured and the bonds are broken by lateral and / or normal forces between the probe and sample, the lateral and / or normal forces for one AFM tip serving as a probe is preferably in the range of about 0.1 nN to 100 μN

4 Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Sonde im Kontakt mit der zu strukturierenden Substratoberflache ein oder mehrmals die Kontur der zu erzeugenden Struktur auf der Substratoberflache abfahrt4 The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the probe in contact with the substrate surface to be structured travels one or more times the contour of the structure to be generated on the substrate surface

5 Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Bewegung der Sonde entlang der Kontur der zu erzeugenden Struktur eine periodische oder nichtperiodische Hin- und Herbewegung der Sonde relativ zum Substrat bevorzugt mittels einer moαulierten Bewegung mit einer Frequenz im Bereich von zwischen etwa 1 bis 500 kHz, besonders bevorzugt im Bereich von etwa 30 bis 340 kHz und/oder mittels einer (Computer-) gesteuerten periodischen Bewegung mit einer Frequenz im Bereich von etwa 1 bis 5000 Hz, und zwar in lateraler und/oder senkrechter Richtung auf der Probenoberflache mit einer Amplitude im Bereicn von bevorzugt etwa 1 bis 100 nm, besonders bevorzugt von etwa 2 bis 40 nm überlagert ist5. The method according to any one of claims 1 to 4, wherein the movement of the probe along the contour of the structure to be generated, a periodic or non-periodic reciprocating movement of the probe relative to the substrate preferably by means of a Moαulierter movement with a frequency in the range between about 1 to 500 kHz, particularly preferably in the range of about 30 to 340 kHz and / or by means of a (computer) controlled periodic movement with a frequency in the range of about 1 to 5000 Hz, specifically in the lateral and / or vertical direction is superimposed on the sample surface with an amplitude in the range of preferably approximately 1 to 100 nm, particularly preferably approximately 2 to 40 nm

Verfahren nach Anspruch 5, wobei die überlagerte Hin- und Herbewegung der Sonde durch eine periodische Variation des Abstandes zwischen dem Substrat und der Sondenaufhangung erfolgt und durch die Form der Sonde sowie deren Elastizität auch eine laterale Bewegung zwischen Sonde und Probe resultiert, wenn sich der Abstand zwischen dem Substrat und der Sondenaufhangung ändertA method according to claim 5, wherein the superimposed reciprocating movement of the probe is carried out by a periodic variation of the distance between the substrate and the probe mounting and the shape of the probe and its elasticity also results in a lateral movement between the probe and the sample if the distance changes between the substrate and the probe suspension changes

Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Abstandsvaπation entweder durch eine Variation der Position des Substrats oder durch eine Variation der Position der Sondenaufhangung erfolgt.The method according to claim 6, wherein the distance variation takes place either by varying the position of the substrate or by varying the position of the probe suspension.

Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die überlagerte periodische oder nichtperiodische Bewegung eine lineare Bewegung, eine kreisförmige Bewegung, eine periodische Bewegung mit geschlossener Kontur, eine Bewegung, die wahrend des Abfahrens der Kontur der zu erzeugenden Struktur stets parallel zur lokalen Tangente an diese Konturkurve erfolgt, eine Bewegung, die wahrend des Abfahrens der Kontur der zu erzeugenden Struktur nicht parallel zur lokalen Tangente an diese Konturkurve erfolgt, eine Bewegung, die wahrend des Abfahrens der Kontur der zu erzeugenden Struktur stets parallel zur lokalen Tangente an diese Konturkurve und im wesentlichen parallel zu der zu strukturierenden Substratoberflache erfolgt, oder eine Bewegung ist, die zusätzlich zu der Komponente der Bewegung innerhalb der Ebene der Substratoberflache noch eine Komponente der Bewegung senkrecht zur Substratoberflache enthaltMethod according to one of claims 5 to 7, wherein the superimposed periodic or non-periodic movement is a linear movement, a circular movement, a periodic movement with a closed contour, a movement which is always parallel to the local tangent during the traversing of the contour of the structure to be produced This contour curve takes place, a movement that does not take place parallel to the local tangent to this contour curve while traversing the contour of the structure to be generated, a movement that always occurs parallel to the local tangent to this contour curve and while traversing the contour of the structure to be generated takes place essentially parallel to the substrate surface to be structured, or is a movement which, in addition to the component of the movement within the plane of the substrate surface, also contains a component of the movement perpendicular to the substrate surface

Verfahren nach einem der Ansprucne 5 eis 8 wobei die überlagerte Bewegung in ihrer Amplitude verstärkt wird, indem die Anregung als periodische Anregung gewählt wird und die Frequenz dieser periodischen überlagerten Bewegung einer Resonanzfrequenz eines der Piezoelemente, die als Aktoren für die relative Bewegung zwischen Sonde und Substrat dienen, oder einer der Resonanzfrequenzen mechanischer Schwingungen der Sonde oder einer anderen mechanischen Resonanz der Struktuπerungsvorrichtung entspricht.Method according to one of claims 5 and 8, the superimposed movement in its amplitude is increased by selecting the excitation as a periodic excitation and the frequency of this periodic superimposed movement of a resonance frequency of one of the piezo elements, which serve as actuators for the relative movement between the probe and the substrate, or one of the resonance frequencies of mechanical vibrations of the probe or another corresponds to the mechanical resonance of the structuring device.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die relativen Bewegungen zwischen der zu strukturierenden Substratoberflache und der Sonde mittels Piezoaktoren, magnetischen Antrieben, bevorzugt über Membranen und/oder Schrittmotoren bewerkstelligt werden.10. The method according to any one of claims 1 to 9, wherein the relative movements between the substrate surface to be structured and the probe are accomplished by means of piezo actuators, magnetic drives, preferably via membranes and / or stepper motors.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei als Sonde die Spitze eines Rastersondenmikroskopes, insbesondere eines Rasterkraftmikroskopes, eines Rastertunnelmikroskopes, eines optischen Rastemahfeldmikroskopes oder eines Rasteπonenleitfähigkeitsmikroskopes, verwendet wird.11. The method according to any one of claims 1 to 10, wherein the tip of a scanning probe microscope, in particular an atomic force microscope, a scanning tunnel microscope, an optical scanning field microscope or a scanning ion conductivity microscope is used.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , wobei eine Anordnung von zwei oder mehreren Sonden verwendet wird.12. The method according to any one of claims 1 to 1 1, wherein an arrangement of two or more probes is used.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das zu strukturierende Substrat aus Isolatoren, Halbleitern oder aus einem einkristallinen oder polykπstallinen Metall oder aufgedampften oder durch Sputtern hergestellten Metall- oder Metallinselfilmen oder deren Legierungen ausgewählt ist.13. The method according to any one of claims 1 to 12, wherein the substrate to be structured is selected from insulators, semiconductors or from a single-crystal or polykπstalline metal or vapor-deposited or by sputtering metal or metal island films or their alloys.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das Abfahren der Kontur mit der Sonde, ausgehend von einer vorbestimmten definierten, in die Substratoberflache zu übertragenden Struktur, rechnergesteuert erfolgt.14. The method according to any one of claims 1 to 13, wherein the traversing of the contour with the probe, starting from a predetermined, defined structure to be transferred to the substrate surface, is computer-controlled.

15. Vorrichtung zur Strukturierung von Substraten, welche eine Sonde aufweist, die in Kontakt mit einer Substratoberflache gebracht werden kann und derart in Kontakt mit der Substratoberflache bewegt wird, dass kovalente, ionische, koordinative, Wasserstoffbrucken-, van der Waalssche und/oder metallische Bindungen des das Substrat aufbauenden Festkorperverbundes gebrochen werden und dadurch ein Mateπalabtrag in Form von einzelnen Atomen, Molekülen, Atomgruppen und/oder Radikalen bzw Ionen aus dem Festkorperverbund durch lokale mechanische Kräfte aufgrund der Wechselwirkung mit der bewegten Sonde erfolgt, wobei in Abhängigkeit von dem Substratmateπal pro Arbeitsschritt der Mateπaiabtrag in lateraler Richtung bis zu 200 atomare Gitterkonstanten oder Subgitterkonstanten des das Substrat aufbauenden Festkörpers betragt.15. Device for structuring substrates, which has a probe which can be brought into contact with a substrate surface and is moved into contact with the substrate surface in such a way that covalent, ionic, coordinative, hydrogen bonding, van der Waalssche and / or metallic Bonds of the solid structure building up the substrate are broken and thereby material removal in the form of individual atoms, molecules, groups of atoms and / or radicals or ions from the solid body structure occurs through local mechanical forces due to the interaction with the moving probe, depending on the substrate material per Working step of material removal in the lateral direction amounts to up to 200 atomic lattice constants or sublattice constants of the solid body building up the substrate.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Sonde derart bewegt wird, daß zusätzlich zu einer der zu erzeugenden Struktur entsprechenden Konturbewegung eine bevorzugt periodische Bearbeitungsbewegung überlagert wird, welche durch ein rechnergesteuertes Bewegen entlang der Struktur, durch ein peπodisches Bewegen der Sonde relativ zum Substrat mittels eines periodischen, elektrisch erzeugten Signals und/oder durch Anregen einer Oszillation der Sonde erzeugt wird. 16. The apparatus of claim 14, wherein the probe is moved such that, in addition to a contour movement corresponding to the structure to be generated, a preferably periodic machining movement is superimposed, which by computer-controlled movement along the structure, by a peπodischen movement of the probe relative to the substrate a periodic, electrically generated signal and / or by stimulating an oscillation of the probe.