Die Ultrapräzisionsmaterialbearbeitung stellt immer höhere Anforderungen an die Genauigkeit der Strukturierung, wobei die Grenzen konventioneller Werkzeug- maschinen rasch erreicht sind. Der Einsatz lokaler Sonden bietet nicht nur die Möglichkeit, Oberflächen abzubilden, sondern auch Materie, sogar Atom für Atom, zu verschieben oder zu positionieren (D. M. Eigler und E. K. Schweizer, Nature 344,524 (1990) ; D. M. Eigier et al., Phys. Rev. Lett. 66,1189 (1991) ; M. F. Commie, C. P. Lutz und D. M. Eigler, Nature 363,524 (1993) ; M. F. Commie, C. P. Lutz und D. M. Eigler, Science 262, 218 (1993)). Einen Überblick über die Möglichkeiten von Rastersondentechniken bietet die einschlägige Fachliteratur wie z. B. R.

Wiesendanger : Scanning Probe Microscopy and Spectroscopy, Cambridge University Press, Cambridge, 1994 ; D. Sarid : Scanning Force Microscopy, Oxford University Press. Oxford. 1994 ; R. Wiesendanger, H.-J. Güntherodt (Eds.) : Scanning Tunneling microscopy 11. Springer-Verlag, 2. Edition. Berlin. 1995.

Für eine anwendungstechnisch geeignete Ultraprazisionsmaterialbearbeitung ist ein mechanisches Bearbeiten der Probenoberfiäche in Form einer lokalen Deformation oder Zerstörung durch lokales"Hämmern' mit einem entsprechenden Sonde wie einer Rastersondenmikroskopspitze als"Nano-Hammer"nicht ausreichend. Zudem treten bei derartigen Materialbearbeitungen häufig Probleme hinsichtlich des Abraums in Form abgetragener Partikel auf, die auf der behandelten Oberfläche liegenbleiben und diese kontaminieren. Um definiert Materialbearbeitung auf atomarer Längenskala durchführen 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 Festkörperverbund zu befreien.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vor- richtung bereitzustellen, das bzw. die eine Materialbearbeitung 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.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen gekennzeichneten Ausführungs- formen gelöst. insbesondere wird ein Verfahren zur Strukturierung von Substraten bereitgestellt, worin auf die Substratoberfläche über eine Sonde, die in Kontakt mit der Substratober- fläche steht, lokale mechanische Kräfte derart ausgeübt werden, dass kovalente, ionische, koordinative. Wasserstoffbrücken-, van der Waalssche und/oder metallische Bindungen des das Substrat aufbauenden Festkörperverbundes gebrochen werden und dadurch ein Materialabtrag in Form von einzelnen Atomen, Molekülen, Atomgrup- pen und/oder Radikalen bzw. lonen aus dem Festkörperverbund erfolgt, wobei in Ab- ahängigkeit von dem Substratmaterial pro Arbeitsschritt bzw. pro Arbeitshub der Materi- alabtrag in lateraler und/oder senkrechter Richtung bzw. in einer Richtung parallel und/oder senkrecht zu einer Substratsebene in der Nähe 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 Subgitterk- onstanten des das Substrat aufbauenden Festkörpers beträgt. Somit wird durch einen Kontakt zwischen der Sonde und der Substratoberfläche und durch eine relative Bewegung der Sonde zu dem Substrat parallel und/oder senkrecht zu der Substratse- bene eine Kraft auf Atome, Moleküle, Atomgruppen und/oder Radikale ausgeübt, um diese von dem Festkörper abzulösen, so daß ein Materialabtrag z. B. im Bereich von etwa 0,1 bis 5 nm pro Arbeitshub bzw. Strukturierungsdurchgang zwischen Sonde und Substartoberfläche möglich ist.

Der Begriff"Subgitterkonstante"umfaßt den Teil einer Gitterkonstanten, und "Materialabtrag von Subgitterkonstanten"bedeutet, dass Teile einer Einheitszelle ab- getragen werden.

Üblicherweise wird das erfindungsgemäße Verfahren derart durchgeführt, dass, aus- gehend von einer vorbestimmten definierten, in die Substratoberfläche zu über- tragenden Struktur, das Abfahren der Kontur mit der Sonde rechnergesteuert erfolgt.

Vorzugsweise wird die Sonde im Kontakt mit der Substratoberfläche des zu strukturi- erenden Festkörpers geführt und das Aufbrechen der Bindungen erfolgt durch laterale und/oder normale Kräfte, d. h. Kräfte parallel und/oder senkrecht, bevorzugt im wesen- tlichen parallel zur Substratoberfiäche 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 uN, bevorzugt 0,1 nN bis 10 suN, besonders bevorzugt 0,1 nN bis 2,0 uN, am meisten bevorzugt 0,5 nN bis 200 nN liegen. Die Sonde kann dabei im Berührungskontakt bzw.

Kontakt mit der zu strukturierenden Substratoberflache ein oder mehrmals die Kontur der zu erzeugenden Struktur auf der Substratoberfläche abfahren.

In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt die Strukturierung dadurch. daß die Sonde die in die Oberfläche einzubringene bzw. einzufräsende Struktur dadurch erzeugt, dass sie im Berührungskontakt mit der zu strukturierenden Substratoberfläche ein oder mehrmals die Kontur der zu erzeugenden Struktur auf der Oberfläche abfährt und die Auflagekraft der Spitze auf die Probe so hoch gewählt ist, dass bei dem Abtastprozess Bindungen gebrochen werden und auf diese Weise Atome, Moleküle, Atomgruppen und/oder Radikale bzw. lonen aus dem Festkörperverbund 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 Probenoberfläche, bevorzugt im wesentlichen in lateraler Richtung auf der Probenoberfläche mit einer Amplitude im Bereich von bevorzugt etwa 1 bis 100 nm, besonders bevorzugt von etwa 2 bis 40 nm, bevorzugt parallel zur Strukturierungsrichtung, überlagert ist ("Nanosägeverfahren").

Vorzugsweise erfolgt die überlagerte Hin-und Herbewegung der Sonde durch eine periodische Variation des Abstandes zwischen dem Substrat bzw. der Aufhängung des Substrats und der Sonde bzw. der Aufhängung 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 Sondenaufhängung ändert. Die Abstandsvariation kann dabei entweder durch eine Variation der Position des Substrats oder durch eine Variation der Position der Sonde erfolgen.

Die überlagerte feine periodische oder nichtperiodische Bewegung kann eine lineare Bewegung, eine kreisförmige Bewegung, eine beliebige periodische Bewegung mit geschlossener Kontur, eine Bewegung, die während des Abfahrens der Kontur der zu erzeugenden Struktur stets parallel zur lokalen Tangente an diese Konturkurve erfoigt, eine Bewegung, die während des Abfahrens der Kontur der zu erzeugenden Struktur nicht parallel zur lokalen Tangente an diese Konturkurve erfolgt, eine Bewegung, die während des Abfahrens der Kontur der zu erzeugenden Struktur stets parallel zur lokalen Tangente an diese Konturkurve und parallel zu der zu strukturierenden Substratoberfiäche bzw. näherungsweise parallel zur lokalen Tangentialebene an die Substratoberflache erfolgt, und/oder eine Bewegung, die zusätzlich zu der Komponente der Bewegung innerhalb der Ebene bzw. der lokalen Tangentialebene der Substratoberflache noch eine Komponente der Bewegung senkrecht zur Substratobertläche enthält, sein bzw. Komponenten hiervon aufweisen. Vorzugsweise wird die überlagerte Bewegung ("Sägebewegung") 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 Strukturierungsvorrichtung, 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 Strukturierungsvorrichtung entspricht. Dementsprechend wird die Sonde im wesentlichen kontinuierlich in Kontakt mit der Substratoberfläche gehalten und längs einer Richtung der Kontur bzw. Konturnchtung bewegt (sog."Konturbewegung").

Zusätzlich zu dieser Konturbewegung wird eine weitere Bearbeitungsbewegung 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 Konturbewegung.

Die relativen Bewegungen zwischen zu strukturierender Festkörperoberftäche des Substrats und der Sonde werden üblicherweise mittels Piezoaktoren, magnetischen Antrieben (insbesondere über Membranen) undloder Schrittmotoren bewerkstelligt.

Als Sonde kann insbesondere die Spitze eines Rastersondenmikroskopes, vorzugsweise die Spitze eines Rasterkraftmikroskopes, eines Rastertunnel- mikroskopes. eines optischen Rasternahfeldmikroskopes oder eines Rasterionenleit- fähigkeitsmikroskopes verwendet werden.

Im Rahmen des erfindungsgemäß. en Verfahrens werden durch laterale und/oder normale Kräfte zwischen einer Sonde, wie beispielsweise der Spitze eines Rasterkraftmikroskopes, so hohe Kräfte ausgeübt, dass die chemischen Bindungen aufgebrochen oder aktiviert werden. Pro Arbeitshub, d. h. pro Uberquerung etwa eines atomaren Defektes, einer Stufe oder eines Randes 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 während 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 Piezoantriebsmittel oder des Cantilevers bzw. der Sonde in Kontakt mit der Probe), zu bewegen, wobei dann beispielsweise bei jedem dieser kleinen Hübe 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- Arbeitshüben 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 voriiegt, die sich durch thermische Bewegung von selbst entfernen. Es bleiben also keine"Späne"bzw. Abraum als Folge der Materialbearbeitung übrig, was das erfindungsgemäße Verfahren von derzeit im Stand der Technik verfügbaren Strukturierungsverfahren unterscheidet. Infolgedessen eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren ausgezeichnet zur Herstellung nano-bzw. mikromechanischer Bau-, Struktur-und/oder Funktionselemente.

Durch das mechanische Herauslösen bzw. Entfernen von Atomen und Atomgruppen können durch die Sonde ortsselektiv chemische Reaktionen ausgelöst werden.

Derartige ortsselektive chemischen Reaktionen innerhalb des Festkörpers können beispielsweise mit einem auf der Substratoberfläche befindlichen Adsorbatfilm oder mit Reaktanten in der Gasphase ausgelöst werden. Die zu strukturierende Substratoberfläche kann sich dabei in einer Flüssigkeit oder einer Lösung befinden.

Durch das Herauslösen von Atomen und Atomgruppen können dann ortsselektiv chemische Reaktionen innernalb des Festkörpers mit einem auf der Substratoberfläche befindlichen Adsorbatfilm, mit der Flüssigkeit oder mit in der flüssigen Phase enthaltenen Komponenten oder gelösten Stoffen oder mit in der Flüssigkeit gelösten Gasen ausgelöst werden. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens können Oberflächenstrukturen nicht nur durch das Herauslösen von Atomen und Atomgruppen, sondern 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 Substratoberfläche ausgelöst oder aktiviert werden. Die derart induzierten chemischen Reaktionen können auch unter Anwesenheit eines Katalysators und/oder unter zusätzlichem Einsatz erhöhter Temperaturen erfolgen.

Im Rahmen des erfindungsgemaßen Verfahrens kann das Entfernen von Atomen oder Atomgruppen bzw. die lokale Aktivierung chemischer Bindungen und die lokale Auslösung chemischer Reaktionen mittels der Sonde durch die Wechselwirkung mit einer Stufe auf der Substratoberfäche erfolgen, indem die Sonde im permanenten oder intermittierenden bzw. zeitweisen mechanischen Kontakt mit der Substratoberfläche diese Stufe überquert, wodurch dann die vorstehend angeführten Prozesse ausgelöst werden. Eine derartige Stufe kann eine atomare Stufe, eine Monolagenstufe oder eine Multilagenstufe sein.

Im Rahmen des erfindungsgemäß. en Verfahren kann statt einer einzelnen Sonde auch eine Anordnung bzw. ein Array bzw. Matrix von zwei oder mehreren Sonden verwendet werden, so dass eine parallele, d. h. gleichzeitige Strukturierung durch mehr als eine Sonde erfolgt. derartiger Array von Sonden kann beispielsweise zum parallelen bzw. gleichzeitigen Schreiben bzw. Erzeugen bevorzugt identischer Strukturen verwendet werden. Darüberhinaus kann eine Master-Struktur als Array verwendet werden, so daS die Struktur des Masters die Struktur der zu erzeugenden Struktur bestimmt (mechanische Replikation durch mechanisch induzierte Material- bearbeitung mittels eines Arrays von lokalen Sonden).

Das zu strukturierende Substrat kann beispielsweise aus Isolatoren, wie z. B. wie Calcit, Glimmer oder Si02, aus Halbleitern wie z. B. Si, GaAs, InyGaAs, AixGaAs ? Ge, SixGaAs, fnP, InPSi oder GatnAsP, oder aus einem einkristallinen oder polykristal- linen Metall oder aufgedampften oder durch Sputtern hergestellten Metall-oder Met- allinselfilmen oder Legierungen davon ausgewählt sein, wobei das Metall beispiels- weise Gold, Silber, Kupfer oder Aluminium sein kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise zur Strukturierung von Halb- leiteroberfiächen bzw. zur Herstellung von isolierenden Gräben in elektrisch leiten- den Schichten mit einer Breite von etwa 1 bis 300 nm, eingesetzt werden, wobei falls erwünscht eine große Struktur ! änge von bis zu 100 cm erzeugt werden kann, und zwar im wesentlichen begrenzt durch den Antrieb (z. B. einen Piezo-oder Schrittmo- tor) für die Konturbewegung. Darüberhinaus kann das erfindungsgemäße 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 werden.

Gemäß der Erfindung wird weiterhin eine Vorrichtung zur Strukturierung von Sub- straten bereitgestellt, welche eine Sonde aufweist, die in Kontakt mit einer Substrato- berfläche gebracht werden kann und derart in Kontakt mit der Substratoberfläche bewegt wird, dass kovalente, ionische, koordinative, Wasserstoffbrücken-, van der Waaissche und/oder metallische Bindungen des das Substrat aufbauenden Festkör- perverbundes gebrochen werden und dadurch ein Materialabtrag in Form von einzel- nen Atomen, Molekülen, Atomgruppen und/oder Radikalen aus dem Festkörperver- bund durch lokale mechanische Kräfte aufgrund der Bewegung der Sonde erfolgt, wobei in Abhängigkeit von dem Substratmaterial pro Arbeitsschritt der Materialabtrag in lateraler Richtung bzw. in einer Richtung parallel zu einer Substratsebene in der Nähe 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 beträgt. Somit wird durch einen Kontakt zwischen der Sonde und der Substratoberfläche und durch eine relative Bewegung der Sonde zu dem Substrat parailel zu der Substratsebene eine Kraft auf Atome, Moleküle. Atomgruppen und/oder Radikale ausgeübt. um diese von dem Festkörper abzulösen, so daß ein Materialab- trag z. B. im Bereich von etwa 0, 1 bis 5 nm pro Arbeitshub bzw. Strukturierungsdurch- gang zwischen Sonde und Substartoberfläche möglich ist.

Gemäß, einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Sonde derart bewegt, daß zusätzlich 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 Strukturierungsbewegung steuernden Prozessor, wobei bevorzugt die Strukturierungsbewegung rechnergestützt ein-und ausgeschaltet wird.

Die Figuren zeigen : zeigt die AFM-Aufnahme eines mittels einem nichtmodulierten Nanomachining bzw. DC-Nanomachining gemäß, einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung strukturierten Rechtecks auf Glimmer. Die Breite der Gräben beträgt ca. 5 nm (Scanfeld 150 nm x 150 nm).

Fig. 2 zeigt die AFM-Aufnahme von mit einem Nanosägeverfahren gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erzeugten Gräben auf Glimmer (Scanfeld 1 um x 1 um). <BR> <BR> <P>Fig. 3 zeigt AFM-Aufnahmen von mittels kraftmoduliertem Nanomachining gemaß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit der AFM-Spitze hergestellten Nanostrukturen auf Calcit (a) bzw. auf Glimmer (b). (Scanfeld 900 nm x 900 nm in (a), 250 nm x 250 nm in (b)).

Fig. 4 zeigt die AFM-Aufnahme einer Nanostruktur auf Glimmer, hergestelit mittels einem modulierten Nanomachining bzw. AC-Nanomachining gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung (Scanfeld 1.2 um x 1.4 um). zeigt die AFM-Aufnahme einer feinen Linie in Form einer nanostrukturierten"8" auf einem Goldinselfilm (mitt) ere Dicke 10 nm ; Scanfeld 1 um x 1 urn).

Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die folgenden Aus- führungsformen näher erläutert, ohne auf diese beschränkt zu sein.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine Spitze einer Sonde bzw. Cantifever, deren Apex mit Abmessungen bzw. Krümmungsradien auf atomarer Skala (d. h. von einigen Atomdurchmessern) endet, auf eine Oberfläche des zu bear- beitenden Substrats aufgelegt und entlang einer vorbestimmten bzw. vorbes- timmbaren 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 kann.

Zusätzlich zu der Konturbewegung wird eine bevorzugt periodische Bearbei- tungsbewegung uberiagert. 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 Ampii- tude von dem Substrat und die obere Grenze von dem Resonanzverhalten der Sonde abhängt. Die Federkonstante der Sonde bzw. des Cantilevers beträgt bevor- zugt 0, 01 bis 30 N/m, besonders bevorzugt 0,1 bis 10 N/m.

Trifft die Spitze auf eine Höhenstufe des Substrats, weiche z. B. durch ein vorheriges Strukturieren und/oder durch lokale Defekte Dzw. 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 Größenbereich von 0,1 bis 1 nm), mikroskopische Defekte (im Größenbereich von 1 bis 10 nm) und/oder an mikroskopisch gestörten Bereichen (im Größenbereich von 5 bis 1000 nm), wird die Spitze zurückgehalten bzw. bleibt an der Höhenstufe hängen (sog."stick-slip-Prozess") und erzeugt durch ihre rückstellfähigen 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 uN, so daß die Spitze bzw. Sonde kovalente, ionische, koordinative und/oder metallische Bindungen des das Substrat aufbauenden Festkörperverbundes brechen bzw. aufheben kann und dadurch ein Materialabtrag in Form von einzelnen Atomen, Molekülen, Atomgruppen und/oder Radikalen aus dem Festkörperverbund, bevorzugt entlang einer Länge von etwa 0,1 bis 5 nm pro Amplitude erfolgt.

Es ist somit vorteilhaft möglich, Strukturen in Substraten (bevorzugt Isolatoren, wie z. B. wie Calcit, Glimmer oder Si02, Halbleitern wie z. B. Si, GaAs, InyGaAs, AIxGaAs, Ge, SixGaAs, InP, InPSi oder GaInAsP, oder einem einkristallinen oder polykristal- linen Metall oder aufgedampften oder durch Sputtern hergestellten Metall-oder Met- allinselfilmen oder Legierungen davon) vorzusehen, welche eine atomare Präzision, jedoch gleichzeitig eine Grosse von bis zu 500 um vorteilhaft aufweisen können, wobei diese Strukturen in einer Zeit zwischen etwa 0,5 bis 15 sec erzeugt werden können.

Nachfolgend werden spezielle Bearbeitungsverfahren bzw.-vorrichtungen gemäß bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung beschrieben.

1. Nichtmoduliertes Nanomachining Bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. Vorrichtung (welches ebenfalls aufgrund der an einem Piezoelement einer Antriebsvorrichtung angelegten DC Spannung"DC-Nanomachining"genannt wird) wird mit entsprechend hoherAuflagekraft bevorzugt im Bereich von etwa 10 nN bis 10 uN die zu erzeugende Struktur rechnergesteuert periodisch abgefahren, 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 Sonde wie beispielsweise einer AFM-Spitze mit einer Stufe bzw. einem Defekt ("stick- slip-Prozess") in der zu strukturierenden Substratoberfiäche führen zur Auftrennung kovalenter bzw. ionischer Bindungen in dem Festkörperverbund. Pro Scan, d. h. pro Überquerung etwa einer atomaren Stufe mit der AFM-Spitze wird typischerweise eine Gitterkonstante abgetragen. Die Abtragung erfolgt gleichmässig gitterkonstantenweise während des Strukturierungsprozesses, so dass das abgetragene Material in Form von niedermolekularen Fragmenten vorliegt, die auf der Oberfläche diffundieren können.

Auf diese Weise wird in vorteilhafter Weise das Entstehen von Abraum in Form abgetragener Partikel, die auf der Oberfläche liegenbleiben und diese verschmutzen bzw. kontaminieren, vermieden. Dieses Verfahren gemäß einer Ausführungsform 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, der vorliegenden Erfindung werden für die Strukturierung laterale Kräfte in der Größenordnung von entwa 10 nN bis 10 uN 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-Kontaktfläche beispielsweise bei ca. 4-5 nm. Die Tiefe der erzielbaren Strukturen kann von einer einzelnen Monoschicht (d. h. Strukturtiefe von einer Gitterkonstante) bis zu einigen hundert Nanometern je nach verwendeter Auflagekraft und Zyklenzahl reichen. Im Fall von Glimmer, der eine kompliziertere Elementarzelle aufweist, lassen sich in Übereinstimmung mit einer Zwischenebene in der Kristallstruktur 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).

2. Nanosägeverfahren Im Rahmen von Untersuchungen hinsicht ! ich der Abhängigkeit der Strukturierung von der Lateralkraft zwischen Sonde und Prcce wurde festgestellt, dass unterhalb eines Schwellenwertes der Lateralkraft keine Strukturierung erfolgt und dass die 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 Überquerung eine Gitterkonstante abgetragen wird. Dies wird beim Nanosägeverfahren bzw.-vorrichtung als einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezielt ausgenutzt. Ein bestehender Graben in der Oberfläche des zu strukturierenden Substrats wird dadurch gezielt veriängert, dass die Sonde sich in der gewünschten Strukturierungsrichtung periodisch vor-und zurückbewegt, und zwar bevorzugt mit einer Frequenz von 1 bis 5000 Hz, während 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 Sägebewegung als auch der langsamere Vorschub erfolgen üblicherweise rechnergesteuert in der Ebene der Substrat-bzw. Probenoberfläche. Wird pro Zyklus der Vorschub kleiner als eine atomare Gitterkonstante des Festkörper, aus welchem das zu behandelnde Substrat aufgebaut ist, gewählt, so erfolgt eine Strukturierung des Substrats bzw. der Probe. Ist der Vorschub jedoch größer als dieser Wert, so wird der strukturierte Bereich verlassen, die Sägebewegung erfolgt dann auf atomar glatter Oberfläche ohne Stufen, mit der Folge, dass keine Strukturierung erfolgt.

Ebensowurde festgestellt, dass der maximal erzielbare Vorschub proportional der eingestellten Sägefrequenz ist. Das beispielhafte Ergebnis einer gemäß dieser Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens erzeugten Oberftächenstrukturierung ist in Fig. 2 abgebildet. Fig. 2 zeigt die AFM-Aufnahme von mit dem "Nanosägeverfahren'erzeugten Gräben auf Glimmer (Scanfeld 1 um x 1 um). Die weißen Pfeile markieren einen Startgraben, von dem aus jeweils mit Sägebewegung senkrecht zum Startgraben strukturiert wurde. Die Vorschubrate wurde von Position 1 bis Position 9 sukzessive erhöht. Sobald die Vorschubrate die Größe 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 senkrecht zur Grabenrichtung mit fester Frequenz und steigender Vorschubrate an den mit 1 bis 9 markierten Positionen Gräben strukturiert (im dargestellten Beipsiel weist jeder Graben eine Breite von etwa 12 nm auf und der Abstand zwischen benachbarten Graben beträgt zwischen etwa 70 und 90 nm). Bei den Gräben 1 bis 7 stieg die Vorschubrate von Graben 1 bis Graben 7 an, lag aber in alien sieben Fällen unterhalb von einer Gitterkonstante pro Sägezykfus. Trotz steigender Vorschubrate findet man hier keine systematischen Unterschiede in Grabenbreite, Tiefe und Länge. Bei den Positionen 8 bis 9 hingegen lag die Vorschubrate oberhalb dieses Wertes. Folglich kommt es nicht mehr zu einer Strukturierung.

Ohne daran gebunden zu sein, wird festgestellt, dass der für die Strukturierung erforderliche Sägehub durch erhöhte laterale Kräfte während eines stick-slip- Prozesses erreicht wird. Im allgemeinen findet sich ein Minimalwert für den Sägehub, unterhalb dessen keine Strukturierung erfolgt. Dieser Minimalhub ist bei Strukturierung in Richtung der Cantilever-Achse indirekt proportional zur Biegefederkonstante des verwendeten Cantilevers und stimmt üblicherweise quantitativ mit der zur Auslösung eines stick-slip-Prozesses erforderlichen Cantileverauslenkung an der jeweils zu strukturierenden Stufe überein.

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 Cantilever- und/oder Substrathalterung und/oder durch eine vertikale Modulation (Z-Hub) des Scannerpiezos des Substrats oder Cantilevers erfolgen.

3. Kraftmoduliertes Nanomachining Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das sogenannte kraftmodulierte Nanomachining.

Befindet sich die Sonde wie z. B. eine AFM-Spitze im Kontakt zur Probenoberfläche und wird die vertikale Position der Probenoberfläche relativ zu dem Cantilever bzw. der Sonde bevorzugt mittels eines Piezoelements verändert, und zwar bevorzugt sinusförmig oder periodisch moduliert, so führt dies nicht nur zu einer periodischen Modulation der Auflagekraft, sondern aufgrund der festen Länge des AFM-Cantilevers auch zu einer lateralen Bewegung der AFM-Spitze auf der Probenoberfläche längs der Cantilever-Achse. Diese laterale Bewegung tässt sich anstelle bzw. zusätzlich zu der rechnergesteuerten Sägebewegung fur das oben beschriebene Nano-Sägeverfahren einsetzen. Auch hier wird eine lindestauslenkung 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 Probenoberfläche für die Auslösung 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 ! ässt sich die resultierende Resonanzüberhöhung für die Erzielung höherer Amplituden bei gegebener Anregungsamplitude nutzen.

Bei Anregungsfrequenzen im Bereich zwischen 10 kHz und 60 kHz lassen sich somit 10.000 bis 60.000 Sägezyklen pro Sekunde erzielen, was einer Erhöhung der Strukturierungsgeschwindigkeit im Vergleich zum Verfahren des DC-Nanomachining um etwa vier Größenordnungen entspricht. Als Funktion der Anregungsamplitude der vertikalen Probenbewegung lassen sich zwei Bereiche unterscheiden. Unterhalb eines Grenzwertes (etwa 100 nm) der Anreaungsamplitude bleibt die AFM-Spitze im Kontakt mit der Probenoberfläche. Der Mittelwert der Cantileverauslenkung ist in erster Näherung unabhängig von der Anregungsamplitude. Eine Reibungshysterese zwischen Hin-und Rücklauf des Scans zeigt das Vorhandensein lateraler Kräfte. Bei Erreichen des Grenzwertes der Anrecungsamplitude verliert der Cantilever periodisch den Kontakt zur Probenoberfläche. Die 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 Probenoberfiäche. Bis zum Erreichen dieses Grenzwertes der Amplitude låsst eine Strukturierung der Oberfläche mit der AFM- Spitze durchführen Oberhalb dieses Wertes hingegen findet trotz höherer Anregungenergien des Cantilevers keine Obenlächenstrukturierung mehr statt, was in Übereinstimmung mit dem Mechanismus der Strukturierung durch laterale Kräfte steht.

Ein beispielhaftes Ergebnis der Nanostrukturierung durch kraftmoduliertes Nanomachining im Kontaktbereich 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 minimaie Tiefe in Fig. 3 (b) beträgt ca. 0,5 nm, was etwa einer halben Einheitszelle von Glimmer ("Zwischenschicht"innerhalb der Einheitszelle von Glimmer) entspricht.

4. Moduliertes Nanomachining mittels Cantilever-Anregung Die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Punkt 3, supra, lässt sich auch durchführen, indem die relative Bewegung in vertikaler Richtung zwischen Probenoberfläche und Aufhängung des Cantilevers nicht durch Modulation der vertikalen Position der Probe, sondern der des Cantilevers erfolgt (aufgrund der an einem Piezoelement einer Antriebsvorrichtung für den Cantilever angelegten AC-Spannung wird diese Art der Strukturierung auch, AC-Nanomachining"genannt).

Fig. 4 zeigt die AFM-Aufnahme einer dergestalt erhaltenen Nanostruktur auf Glimmer, hergestellt mitteis AC-Nanomachining (Scanfeld 1,2 um x 1,4 um). Die Struktur wurde mit der gleichen Spitze mittels Rasterkraftmikroskopie abgebildet, die auch zur Strukturierung verwendet wurde. Die Langzeitstabilität solcher Strukturen wurde über mehrere Wochen hinweg überprüft. Beispielhaft wurden mit einem V-förmigen Siliziumnitrid-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 N 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 Probenoberfläche, 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-Spannungsgenerators, die Bewegung tangs 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 Durchführung 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 Piezoelemente bewerkstelligt werden. Die gezeigte Struktur wurde in die Oberfläche von weitem Glimmer (Muskovit) eingeschrieben.

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, usw.

Auch in dieser Ausführungsform 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.., Hämmern) unterscheiden. Oberhalb eines kritischen Wertes der Anregungsamplitude, der stark von der Art des verwendeten Cantilevers und der verwendeten Anregungsfrequenz abhängt, wird trotz höherer Anregungenergien des Cantilevers im allgemeinen keine Obenlächenstrukturierung festgestellt, was in Übereinstimmung mit dem Mechanismus der Strukturierung durch laterale Kräfte steht.

Mit dem kraftmodulierten Nanomachining-Verfahren lässt sich beispielsweise auf Goldoberflächen der schonende Abtrag von Material mit einem Vorschub von der Größenordnung von einer Gitterkonstante je Arbeitshub erreichen. Ohne daran gebunden zu sein, scheint der, dieser Ausführungsform zugrundeliegende Mechanismus auf durch die Sonde, wie z. B. eine AFM-Spitze, aktivierte Oberflächendiffusionsprozesse auf atomarer Skala zu beruhen. Diese Ausführungsform des erfindungsgemäß-en 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 nanostrukturierten"8"auf einem Goldinselfilm (mittlere Dicke 10 nm). Die mitteis Nanomachining erzeugte Linie hat eine Haibwertsbreite von ca. 8 nm. Es wurde eine Spitze aus Si3N4 verwendet. Die Auflagekraft während der Strukturierung betrug etwa 10-7 N. Deutlich erkennbar ist, dass die einzelnen Metallinseln nicht verschoben, sondern ohne Aufwerfungen an den Rändern durchtrennt werden. Auf diese Weise ist es demgemäß, beispielsweise möglich, auf aufgedampften bzw. aufgesputterten Goldfilmen einzelne Goldinseln mit der AFM- Spitze zu durchschneiden (s. Pfeil in Fig. 5), wobei die Strukturtiefe über die Dauer des Strukturierungsprozesses einstellbar ist.