CH718265B1 - Diamantabtastelement, insbesondere für eine Bildgebungsanwendung, und Verfahren für dessen Fertigung. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Diamantabtastelement (1), insbesondere für eine Bildgebungsanwendung, umfassend einen Träger (5) und eine Säule (8), die sich von dem Träger (5) erstreckt, wobei die Säule (8) mit einer Längsachse (X) bereitgestellt ist und wobei die Säule (8) eine Spitze (2) mit einem abgeschrägten Seitenabschnitt (3) mit einer vorzugsweise konstant, zunehmenden Krümmung umfasst, wobei die Spitze (2) ferner mit einem Sensorelement, bei dem es sich um einen Defekt handelt, und mit einer flachen Endfacette (4), die sich in Richtung der Achse (X) erstreckt, mit einem Gradienten von weniger als 10 % bereitgestellt ist; und ein Verfahren zur Fertigung eines Diamantabtastelements.

Description

Technischer Bereich

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Diamantabtastelement, hierin auch als Diamantabtastsonde erwähnt, insbesondere für eine Bildgebungsanwendung, und ein Verfahren für dessen Fertigung.

[0002] Moderne Materialsysteme, beispielsweise die in der Spintronik interessierenden, haben einen Bedarf an Bildgebungstechniken mit hoher Empfindlichkeit und hoher räumlicher Auflösung geschaffen. Innerhalb dieses Gebiets hat das Zentrum der Stickstoff-Fehlstelle (nitrogen-vacancy - NV) in Diamant, insbesondere, wenn er in einen auf einer Abtastsonde basierenden Quantensensor integriert ist, aufgrund seiner hohen Magnetfeldempfindlichkeit und räumlichen Auflösung im zweistelligen Nanometerbereich viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Diese zwei Eigenschaften ermöglichten die Messung von Systemen im Nanometerbereich, wie etwa Skyrmionen, antiferromagnetischen Domänen, Einzelneuronen-Aktionspotenzialen und Magnetismus in 2D-Materialien. Dieses breite Anwendungsspektrum unterstreicht die Vielseitigkeit des NV-Zentrums, das in einer Vielfalt von Systemen und Betriebstemperaturen von Umgebungsbedingungen bis zur Kryogenik umgesetzt werden kann. Die wesentlichen Anforderungen an einen derartigen NV-basierten Sensor im Nanobereich sind folgende. Erstens ein NV-Zentrum in unmittelbarer Nähe zur Diamantoberfläche, um die Trennung der NV-Proben zu minimieren und damit die räumliche Auflösung zu optimieren und gleichzeitig das detektierte magnetische Signal aus Probenvolumina im Nanobereich zu verbessern. Zweitens ein hoher Fluss von detektierten Fotonen für beste Empfindlichkeit. Der hohe Brechungsindex des Diamant-Hosts (n = 2,4) stellt eine Herausforderung für die zweite Anforderung dar, bietet aber auch einen natürlichen Weg zur Entwicklung photonischer Strukturen zur Maximierung der Sammeleffizienz. Viele Ansätze zur Optimierung der Sammeleffizienz wurden durch photonisches Entwickeln von Diamanten verfolgt, darunter feste Immersionslinsen, periodische Nanostrukturierung, dielektrische Antennen, parabolische Reflektoren und wellenleitende Strukturen. Für Bildgebungsanwendungen haben diese Ansätze jedoch typischerweise den Nachteil großer Implantationstiefen des NV-Zentrums, oder im Falle von herkömmlichen Abtastsonden, den von nicht optimierten Strukturen, die zu geringen Sammeleffizienzen führen. Die erfindungsgemäße Diamantsonde kann in allen vorgenannten Anwendungen verwendet werden.

Stand der Technik

[0003] Die modernste Technologie auf diesem Gebiet hat sich bisher auf Diamantabtastsonden mit abgeschrägten Seitenwänden konzentriert, die durch eine ähnliche Elektronenstrahllithographiemaske und Ätzen mit Sauerstoff (siehe A. Jenkins, M. Pelliccione, G. Yu, X. Ma, X. Li, K. L. Wang und A. C. Bleszynski Jayich, Single-spin sensing of domain-wall structure and dynamics in a thin-film skyrmion host, Phys. Rev. Mat. 3, 8 (2019)) und O2/Ar-Chemie (siehe Dovzhenko, F. Casola, S. Schlotter, T. X. Zhou, F. Buttner, R. L. Walsworth, G. S. D. Beach und A. Yacoby, Magnetostatic twists in room-temperature skyrmions explored by nitrogen-vacancy center spin texture reconstruction, Nature Comm. 9, 1 (2018)) erzeugt werden. Gelegentlich wird CF4 eingebracht, um Rückstände zu entfernen, aber nicht um eine gekrümmte Oberfläche herzustellen.

[0004] Darüber hinaus wurden alternative Masken, wie etwa Aluminium (siehe: I. Gross, W: Akhtar, A. Hrabec, J. Sampaio, L. J. Martinez, S. Chouaieb, B. J. Shields, P. Maletinsky, A. Thiaville, S. Rohart und V. Jacques, Skyrmion morphology in ultrathin magnetic films, Phys. Rev. Mat. 2, 2 (2018)), in Kombination mit O2/CF4-Trockenätzen zum Erzeugen von Diamant-Nanosäulen-Arrays mit geraden oder abgeschrägten Wänden verwendet.

[0005] Weiterer Stand der Technik in Bezug auf die vorgenannte Anmeldung: Q. Jiang, Large scale fabrication of nitrogen vacancy-embedded diamond nanostructures for single-photon source applications, Chinese Physics B, 25, 11 (2016). Q. Jiang, Focused-ion-beam overlay-patterning of three-dimensional diamond structures for advanced single photon properties, Journal of Applied Physics, 116, 044308 (2014). Momenzadeh, S.A, Nanoengineered diamond waveguide as a robust bright platform for nanomagnetometry using shallow nitrogen vacancy centers, Nano Letters, 15, 1 (2015). S. Ali Momenzadeh et Al: „Nanoengineered Diamond Waveguide as a Robust Bright Platform for Nanomagnetometry Using Shallow Nitrogen Vacancy Centers“, Nano Letters, Vol. 15, Nr. 1, 8. Dezember 2014 (2014-12-08), Seite 165-169, XP055716238, US ISSN: 1530-6984, Ausg.-Dat.: 10. 1021/nl503326t S. Ali Momenzadeh et Al.: „Nano-engineered Diamond Waveguide as a Robust Bright Platform for Nanomagnetometry Using Shallow Nitrogen Vacancy Centers“, 29. August 2014 (2014-08-29), XP055716551, Ausg.-Dat.: 10.1021/nl 503326t Aus dem Internet abgerufen: URL:https://pubs.acs.org/doi/suppl/10.1021/nl503326t/suppl_file/nl503326t_si_001.p df

[0006] Die zwei vorgenannten Schriften offenbaren eine Bereitstellung eines Diamantmaterials; die Abscheidung eines Resists; die Bildung einer Ätzmaske und einen Ätzprozess. Die Maske besteht aus FOX-Material. Beim Ätzprozess wird zum Ätzen der Diamantoberfläche O2-Plasma verwendet und zwischen dem Sauerstoffätzschritt wird ein O2/CF4-Gemisch auf die Oberfläche aufgebracht. Die Plasmaparameter in diesem Prozess wurden durch eine Einstellung der Plasmaleistung und der RF-Biasleistung eingestellt.

[0007] Dieser Schritt einer kurzen O2/CF4-Behandlung wurde vermutlich durchgeführt, um als Reinigungsvorgang kleine, nachgesputterte FOX-Partikel von der Diamantoberfläche zu entfernen.

[0008] Wan, N. H. Efficient extraction of light trom a nitrogen-vacancy center in a diamond parabolic reflector. Nano Letters, 18, 5 (2018).

[0009] Als Stand der Technik sind auch US 2018/0246143 A1 und WO 2018/169997 A1 zu nennen.

[0010] Auch in WO 2018/169997 A1 wurden, genau wie von Momenzadeh et al. offenbart, die Plasmaparameter durch eine Einstellung der Plasmaleistung und der RF-Biasleistung eingestellt.

[0011] Eine Variation der Plasmaleistung wirkt sich sowohl auf die Diamant- als auch die Maskenätzrate aus, eine gesteuerte Bildung einer Oberflächenstruktur mit einer abgeschrägten Geometrie mit zu einer flachen Endfacette hin zunehmendem Abschrägungswinkel wird jedoch durch die vorgenannten Schriften nicht offenbart. Momenzadeh et al. sowie WO 2018/169997 A1 offenbaren unterschiedliche Abschrägungswinkel in unterschiedlichen Vorrichtungen, zeigen jedoch keine zunehmende Reihe von Abschrägungswinkeln in einer einzigen Vorrichtung. Ferner erstreckt sich der in den Simulationen in Momenzadeh et al. in Erwägung gezogene Bereich der Abschrägungswinkel nur bis zu 33 Grad und wird festgestellt, dass es sich bei 20 Grad um den optimalen Winkel handelt. Momenzadeh et al. offenbaren außerdem einen Durchmesser von 400 nm.

[0012] Das von Momenzadeh et al. sowie WO 2018/169997 A1 offenbarte Herstellungsverfahren ermöglicht keine weitere Modifikation des Seitenabschnitts der Säule, da die Variation der Leistung der Plasmabehandlung während des Ätzprozesses sowohl die Diamantstruktur als auch die Maskenstruktur angreift. Eine unabhängige Steuerung einer Ätzung des einen oder des anderen Materials ist nicht möglich

[0013] Qianqing et al. offenbaren zwei Abschrägungswinkel, die jedoch nicht unabhängig gesteuert werden.

[0014] Eine weitere relevante Schrift im Stand der Technik ist US 2012/292590 A1. Diese Schrift offenbart, dass die Abschrägungswinkel durch Ätzen entlang gewisser Kristallrichtungen des Diamanten bis zu einem Abschrägungswinkel von 35 Grad erzielt werden. In dieser Schrift wird auch ein Abschrägungswinkel bis zu 40 Grad, jedoch nicht höher, erwähnt. Das Verfahren in D4 lässt nur gewisse diskrete Winkel zu. Ferner liegt der in dieser Schrift angegebene Durchmesser zwischen 200 nm und 1 um. Ferner offenbart diese Schrift in Anspruch 1 eine spezifische Dipolausrichtung.

Gegenstand der Erfindung

[0015] Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen eines Abtastelements mit hoher Sammeleffizienz und das Minimieren der Tiefe des Defekts.

[0016] Ein zweiter Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Fertigen eines Abtastelements, bei dem die Steuerung der Ausgestaltung während des Ätzprozesses erzielt wird.

Offenbarung der Erfindung

[0017] Der Gegenstand wird durch ein Diamantabtastelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und Verfahren zum Herstellen eines Diamantabtastelements mit den Merkmalen des Anspruchs 10 erzielt.

[0018] Das erfindungsgemäße Diamantabtastelement kann für die Verwendung in einer Bildgebungsanwendung geeignet sein. Es umfasst einen Träger und eine Säule, die sich von dem Träger erstreckt. Der Träger kann eine Diamantplatte sein. Die Säule ist abgeschrägt und die abgeschrägte Diamantsäule ist vorzugsweise an ihrer Basis monolithisch an der Diamantplatte angebracht.

[0019] Die Säule ist mit einer Längsachse bereitgestellt und die Säule umfasst ferner eine Spitze mit einem abgeschrägten Seitenabschnitt mit einer, vorzugsweise konstant, zunehmenden Krümmung. Die Krümmung könnte vorzugsweise die Form eines paraboloiden Abschnitts aufweisen. Der Bereich der Abschrägungswinkel, die in der Krümmung enthalten sind, kann vorzugsweise im Bereich von 12-50 Grad liegen.

[0020] Die Spitze ist ferner mit einer flachen Endfacette, die auch als abgeschrägte Endfacette bezeichnet wird und die sich mindestens in Richtung der Achse (X) erstreckt, mit einem Gradienten von weniger als 10 % bereitgestellt. Die flache Endfacette könnte eben sein, in welchem Fall der Gradient 0 % beträgt. Der Gradient sollte vorzugsweise weniger als 8 %, besonders bevorzugt weniger als 5 % und noch bevorzugter weniger als 2 % betragen.

[0021] Ein Gradient von 100 % würde einen Winkel von 90° definieren, wobei es sich um eine Fläche parallel zu der Längsachse der Säule handeln würde. Bei einem Gradienten von weniger als 10 % kann die flache Facette um einen Winkel von vorzugsweise weniger als 9 Grad von der zu der Achse senkrechten Ebene weg gekippt sein.

[0022] Die flache Facette am Ende ist wesentlich, um die Entfernung zwischen der Spitze und dem Defekt an der Spitze, der im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Sensorelement betrachtet wird, und der zu messenden Probe zu minimieren.

[0023] Das Diamantabtastelement kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Sensor betrachtet werden.

[0024] Die Krümmung, auf die auch durch einen zur Spitze hin zunehmenden Abschrägungswinkel Bezug genommen wird, ist wesentlich, um eine hohe Sammeleffizienz über ein breites Spektralband zu erzielen, ohne den Spitzenradius zu groß zu machen, da ein größerer Spitzenradius die Leistung als Abtastsonde beeinträchtigt.

[0025] Weitere Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

[0026] Die abgeschrägte Endfacette kann einen bevorzugten Durchmesser von mindestens 30 nm, vorzugsweise mindestens 50 nm, besonders bevorzugt zwischen 100 und 300 nm, aufweisen.

[0027] Die abgeschrägte Endfacette kann einen Durchmesser aufweisen, der mindestens 1 % der Länge der Säule beträgt. Die Länge der Säule kann weniger als 10,0 µm betragen, vorzugsweise zwischen 3,0 und 6,0 µm.

[0028] Die Spitze, vorzugsweise die flache Endfacette, umfasst das Sensorelement, bei dem es sich gemäß der Erfindung um einen Defekt handelt, besonders bevorzugt um eine Stickstoff-Fehlstelle. Der Defekt kann im Zentrum der Spitze, insbesondere im Zentrum der flachen Endfacette positioniert werden.

[0029] In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung stellt der Defekt ein oder mehrere Dipole bereit, insbesondere einen s-polarisierten und einen p-polarisierten Dipol, die jeweils senkrecht und parallel zu der Säulenachse ausgerichtet sind.

[0030] Ein bevorzugter Vorteil der vorliegenden Erfindung trägt zu einer verringerten Unterdrückung der Emission bei. Vorzugsweise ist daher die Dipolquelle derart senkrecht zu der Längsachse der Säule ausgerichtet, dass sich der Dipol sehr nahe an der flachen Endfacette der Säule (viel geringer als eine Wellenlängentrennung) befinden kann, ohne dass eine wesentliche Unterdrückung der Emission erfolgt.

[0031] Dies ist von besonderem Vorteil für die Erfassung von Objekten im Nanobereich außerhalb des Diamanten. Die Unterdrückung der Dipolemission im Falle eines Dipols, der parallel zu der Achse ausgerichtet ist, nimmt mit der Annäherung des Dipols an die Oberfläche des Diamanten dramatisch zu. Somit trägt bei der vorliegenden Vorrichtung die parallele Komponente des Dipols nicht zu den gesammelten Fotonen bei und sollte der Dipol daher im Wesentlichen orthogonal zu der Achse sein.

[0032] Fig. 4a von US 2012/292590 A1 beschreibt zwar eine annähernd paraboloidale Vorrichtung mit einem flachen Ende, jedoch wird keine Angabe dazu gemacht, wie nahe der Emitter an dem flachen Ende sein sollte.

[0033] Ein zweiter Vorteil der orthogonalen Dipolausrichtung besteht darin, dass die Emission von der Vorrichtung ein annähernd gaußförmiges Intensitätsprofil aufweist, das gut zu den Modi einer Lichtleitfaser passt, die üblicherweise dazu verwendet wird, das Licht zu sammeln und dieses zu einem Detektor zu leiten. Durch die parallele Dipolausrichtung ergibt sich ein Emissionsmuster, das torusförmig und radial polarisiert ist und eine sehr schlechte Überlappung mit den Lichtleitfasermodi aufweist. Somit ist es sehr problematisch, einen parallel oder geneigt zu der Achse ausgerichteten Dipol zu verwenden, wie er durch US 2012/292590 A1 beansprucht wird.

[0034] Die Tiefe des Defekts von der Oberfläche der flachen Endfacette kann weniger als 40 nm, vorzugsweise weniger als 25 nm, betragen.

[0035] In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Säule einen Wellenleiter oder kann als Wellenleiter ausgebildet sein. Ferner kann das Diamantabtastelement vorzugsweise eine Apertur an der Basis der Säule umfassen.

[0036] In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Reflexion bei normalem Einfall oder nahezu normalem Einfall auf die Rückseite, wodurch die Reflexion minimiert wird. Alternativ oder zusätzlich könnte die Rückseite der Platte mit einem Materialfilm mit einem Brechungsindex von weniger als 2,4, vorzugsweise nahe 1,5, beschichtet sein, die als Antireflexionsbeschichtung zur Minimierung der Reflexion dienen könnte.

[0037] Die Divergenz des Lichts könnte vorzugsweise unter dem Totalreflexionswinkel für eine Diamant-Luft-Grenzfläche liegen. Der Totalreflexionswinkel könnte vorzugsweise etwa 24,5 Grad betragen.

[0038] Im Falle eines NV-Zentrums als Defekt könnte die minimale Apertur an der Basis der Säule mindestens 0,8 µm betragen.

[0039] An der Spitze der Diamantsäule kann die Abschrägungsrate stetig erhöht werden. Der Abschrägungswinkel an der Spitze sollte nahe an 45 Grad oder mehr betragen, um eine Vorrichtung zu erhalten, die Licht aus einem breiten Wellenlängenband effizient sammelt.

[0040] Die Abschrägung setzt sich nicht auf einen Radius von null fort, sondern der Spitzenradius ist endlich und kann vorzugsweise größer als ungefähr 50 nm sein. Am meisten bevorzugt könnte der Durchmesser der Spitze in diesem Zusammenhang größer als ungefähr 50 nm sein.

[0041] Wie bereits erwähnt, wird der Defekt, der insbesondere als NV-Zentrum bereitgestellt ist, in der Spitze der Säule, im Brennpunkt des Paraboloids und knapp innerhalb der Ebene der flachen Facette der Spitze platziert. Der Defekt kann auch in eine beliebige Richtung versetzt vom Brennpunkt verlegt werden. In diesem Fall funktioniert die Vorrichtung weiterhin, jedoch nicht so effizient.

[0042] Der Defekt ist vorzugsweise empfindlich gegenüber äußeren Feldern, die durch eine Probe erzeugt werden, die in die nähere Umgebung der flachen Facette gebracht wird.

[0043] Die Erfindung umfasst ferner ein Verfahren zur Fertigung eines Diamantabtastelements, das einen Träger und eine Säule umfasst, die sich von dem Träger erstreckt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst. A: Bereitstellen eines geeigneten Diamantmaterials B: Abscheidung eines Resists C: Bildung einer Ätzmaske D: Ätzenwobei während des Ätzprozesses eine erste chemische Verbindung verwendet wird, die in erster Linie den Diamanten angreift und damit eine abgeschrägte konische Säule aus Diamant bildet, und wobei während des Ätzprozesses die Maske durch eine Zugabe einer zweiten chemischen Verbindung zu der ersten chemischen Verbindung erodiert wird.

[0044] Als Folge davon wird die relative Ätzrate der Maske gegenüber dem Diamanten durch Einstellen der Ätzchemie variabel gesteuert. Dies unterscheidet es von anderen Verfahren für gekrümmte oder abgewinkelte Flächen und ermöglicht eine wesentlich bessere Kontrolle über die Form der Wand, sogar über die parabolische Form hinaus.

[0045] Es wird darauf hingewiesen, dass das Verfahren vorzugsweise zur Fertigung des erfindungsgemäßen Diamantabtastelements verwendet werden kann. Es können aber auch andere Ausgestaltungen mit der vorliegenden Fertigungsweise realisiert werden. Das Verfahren ist daher nicht nur auf die Herstellung des erfindungsgemäßen Diamantabtastelements beschränkt.

[0046] Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann ein Winkelbereich bis zu 50 Grad erzielt werden, was weit über bekannten Verfahren im Stand der Technik liegt, welche die Verfahrensschritte umfassen.

[0047] Die erste chemische Verbindung ist O2und die zweite chemische Verbindung kann vorzugsweise CF4sein.

[0048] Gemäß der Erfindung kann das Ausmaß des Ätzens von Maskenmaterial und/oder Diamantmaterial während der Bildung des Diamantabtastelements durch das Verhältnis zwischen der ersten und der zweiten chemischen Verbindung gesteuert werden, die während des Ätzprozesses zugegeben und/oder eingestellt werden. Das Verhältnis kann durch eine Steuereinheit zum Steuern der Dosierung jeder Verbindung gesteuert und angepasst werden.

[0049] Das Variieren der Plasmaleistung gemäß der Offenbarung des Standes der Technik unterscheidet sich grundsätzlich von dem Variieren der CF4-Konzentration, da eine Variation der Plasmaleistung sowohl die Diamant- als auch die Maskenätzrate beeinflusst, während letzteres in erster Linie nur die Maskenätzrate beeinflusst (ein geringer Einfluss auf die Diamantätzrate), wodurch die Diamant- und Maskenätzrate unabhängig gesteuert werden können.

[0050] In einem bevorzugten Ausführungsschritt umfasst A die Erzeugung eines Defekts, vorzugsweise einer Stickstoff-Fehlstelle, am meisten bevorzugt an der Spitze der Säule, am meisten bevorzugt am Zentrum an der Spitze der Säule.

[0051] Der Resist kann vorzugsweise eine anorganische Polymerschicht sein, die vorzugsweise durch ein fließfähiges Oxidmaterial, besonders bevorzugt Fox-16 von Dow Corning, gebildet wird. Die Bildung der Ätzmaske in Schritt C kann durch eine Elektronenstrahllithographie bereitgestellt werden.

[0052] In Schritt D kann der Diamant vorzugsweise einem induktiv gekoppelten Plasma ausgesetzt werden, das bewirkt, dass der Diamant in einem Reaktivionenätzprozess geätzt wird, wobei die reaktiven Ionen aus der ersten und zweiten chemischen Verbindung gebildet werden.

[0053] Der Ätzprozess kann derart gesteuert werden, dass die Neigung der Seitenwände der Maske auf einen Winkel von 45 Grad mit einer Abweichung von weniger als 5 Grad, vorzugsweise weniger als 2 Grad, angepasst wird.

[0054] Durch Steuerung des Verhältnisses zwischen der ersten und der zweiten chemischen Verbindung kann der Bereich der Winkel, die vorzugsweise für die Bildung der Spitze in das Diamantmaterial geätzt werden, zwischen 10 und 50 Grad variiert werden, vorzugsweise zwischen 12 und 50 Grad.

[0055] Während des ersten Teils des Ätzprozesses wird eine Ätzchemie, vorzugsweise O2, verwendet, die in erster Linie den Diamanten angreift und dabei eine abgeschrägte, konische Diamantsäule bildet. Der Abschrägungswinkel dieses Abschnitts beträgt weniger als 12 Grad. Gleichzeitig wird die Maske am Rand erodiert, um einen trapezförmigen Querschnitt zu bilden. Die Seitenwände der Maske sind in einem Winkel von ungefähr 45 Grad geneigt (der Winkel muss nicht genau 45 Grad betragen, sollte jedoch im Wesentlichen in Bezug auf die vertikale Richtung geneigt sein).

[0056] Während des zweiten Teils der Ätzung wird die Ätzchemie durch Zugeben eines das Maskenmaterial ätzenden Mittels, vorzugsweise CF4, modifiziert. Durch Ändern der Konzentration von CF4gegenüber O2wird der Winkel der resultierenden Diamantseitenwand verändert.

[0057] Es werden mehrere CF4:O2-Verhältnisse gemäß der Erfindung nacheinander verwendet, um ein gekrümmtes Oberflächenprofil zu erhalten. Der Winkelbereich, den wir mit diesem Prozess erzielt haben, liegt zwischen 12 und 50 Grad.

[0058] Die Plasmaleistung und vorzugsweise auch die RF-Biasleistung können über den Zeitraum konstant gehalten werden, wenn zur Bildung des gekrümmten Oberflächenprofils mehrere CF4:O2-Verhältnisse angewendet werden. Auf diese Weise ist eine bessere Steuerung des Ätzprozesses mit hoher Präzision möglich, indem die CF4:O2-Verhältnisse über die Zeit ohne Beeinträchtigung von Nebeneffekten, wie etwa einer Leistungsänderung, gesteuert werden.

[0059] Die bessere Steuerung wird insbesondere dadurch erzielt, dass die Diamantätzrate unabhängig von dem Maskenätzprozess gesteuert werden kann. Bei einer Änderung der Plasmaleistung würde der Ätzprozess sowohl das Maskenätzen als auch das Diamantätzen beeinflussen.

[0060] Die Ätzbehandlung von CF4:O2mit unterschiedlichen Verhältnissen kann länger als mindestens 5 Minuten, besonders bevorzugt mindestens 10 Minuten, dauern, wobei das Verhältnis zwischen sccm CF4und sccm O2zwischen 1:30 und 1:3 variieren kann.

[0061] Die Anwendungsdauer könnte bei sccm-Verhältnissen von CF4gegenüber O2unter 1:10 mehr als 2 Minuten betragen.

[0062] Die Anwendungsdauer könnte bei sccm-Verhältnissen von CF4gegenüber O2über 1,4:10 weniger als 1 Minute betragen.

[0063] Die Ausgestaltung des Diamantabtastelements der vorliegenden Erfindung kann eine Steuerung über mehrere, vorzugsweise mindestens zwei, unterschiedliche Abschrägungswinkel in einer einzigen Vorrichtung erforderlich machen.

[0064] Wie erwähnt, sind die Diamant- und Maskenätzrate durch die Anwendung unterschiedlicher CF4:O2-Verhältnisse unabhängig voneinander zu steuern. Das vorliegende Diamantabtastelement kann in jeweils einer einzigen Vorrichtung oder einem einzigen Element eine zunehmende Reihe von Abschrägungswinkeln umfassen.

[0065] Das vorliegende erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine kontinuierliche Abstimmung des Winkels im Bereich von 10-50 Grad.

[0066] Der Durchmesser der in der vorliegenden Anwendung vorgegebenen Endfacette liegt idealerweise zwischen 100-300 nm. Das Erzielen eines kleinen Durchmessers ist für den Kontakt mit der Probe für ideale Abtastbedingungen von Vorteil.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0067] Nachfolgend werden einige vorteilhafte Ausführungsformen für das erfindungsgemäße Diamantabtastelement und eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines Fertigungsverfahrens anhand von Zeichnungen näher erläutert. Spezifische Teile der verschiedenen Ausführungsformen können als gesonderte Merkmale verstanden werden, die auch in anderen Ausführungsformen der Erfindung realisiert werden können. Die durch die Ausführung beschriebene Kombination von Merkmalen ist nicht als Einschränkung für die Erfindung zu verstehen.

Art und Weise der Ausführung der Erfindung

[0068] Fig. 1 zeigt ein Beispiel für ein erfindungsgemäßes Diamantabtastelement, das auch als Diamantabtastsonde bezeichnet wird, mit einem Parabolstumpfprofil, das mindestens ein einziges eingebettetes Zentrum einer Stickstoff-Fehlstelle (NV) zur Magnetfeldabbildung im Nanobereich enthält. Die Sonde ist üblicherweise eine aus einem Array von ähnlich ausgebildeten Sonden.

[0069] Die parabolische Spitzenform ergibt eine mittlere Sättigungszählrate von 2,1 MHz, die bisher höchste aufgezeichnete Zählrate für Abtastsonden. Gleichzeitig bleiben die Strukturen hochgradig breitbandig und erzeugen gerichtete Emissionen.

[0070] Darüber hinaus verschiebt die Abstumpfung die Diamantfläche zu dem Fokus der Parabel hin, wodurch ermöglicht wird, dass sich kleine NV-Probenabstände ergeben, was zu idealen Abtastbedingungen führt.

[0071] Die Abstumpfung kann vorzugsweise eine distale Abflachung der parabolischen Form der Spitze sein. Die Abflachung der Sonde an der Spitze kann vorzugsweise eine planare Fläche sein. Diese Geometrie passt sich dem Konzept eines Diamantparabolreflektors in Kombination mit einer Säulenplattengeometrie an, die in eine Atomkraft-Mikroskopsonde zum Abtasten der Magnetfeldabbildung integriert wurde.

[0072] Anstatt die typischerweise zylindrische oder abgeschrägte Säulenstruktur zu verwenden, besteht die aktuelle Geometrie der Spitze der Sonde aus einem Diamantparaboloid mit einer NV im Fokus. Die Parabolstumpfausgestaltung umfasst eine flache, vorzugsweise planare Endfläche, die auch als flache Endfläche bezeichnet wird, welche die Tiefe der NV und damit die Entfernung zu der Probe minimiert. Die parabolischen Seiten der Spitze können eine imaginäre parabolische Ebene definieren, wobei die flache Endfacette vorzugsweise eine planare Oberfläche senkrecht zur Normalen der parabolischen Ebene definiert.

[0073] Die Geometrie der Spitze kann eine innere Totalreflexion an der parabolischen Oberfläche bewirken, welche die Emission in einen unidirektionalen Ausgangsmodus kollimiert, was zu einer verbesserten Wellenführung der NV-Emission führt.

[0074] Eine weitere Simulation einer zylindrischen Ausgestaltung wurde mit einem Finite-Differenz-Zeitdomänenlöser (Lumerical) durchgeführt, wobei ein zylindrischer Säulenwellenleiter als Vergleichsbasis herangezogen wurde.

[0075] Sowohl zylindrische als auch Parabolvorrichtungen weisen einen Facettendurchmesser von 200 nm auf, was ungefähr dem minimalen Durchmesser entspricht, der noch einen optischen Modus mit starker Beschränkung des Diamanten unterstützt. Es wurde in Erwägung gezogen, dass Dipole sowohl senkrecht (s-polarisiert) zu der Säulenachse ausgerichtet sind als auch die Vorrichtungsleistung anhand von zwei wichtigen Kennzahlen bewerten, einer ausgekoppelten Leistung Ina innerhalb des numerischen Aperturkegels von 0,8 unseres Objektivs (Ina) und einer Emissionsrichtung. Es ist zu beachten, dass sich Ina auf die Sammeleffizienz η des Parabolreflektors bezieht, aber auch den Nahfeldeffekt der Parabolfläche und den Purcell-Effekt aufgrund der Reflexion von der Rückseite der Halteplatte beinhaltet, welche die Strahlungsabklingrate des Dipols modifizieren. Alle Leistungen sind auf die Leistung normalisiert, die durch einen Dipol in einem einheitlichen massiven Diamanten, Ibd, abgestrahlt wird.

[0076] Folglich führt ein s-polarisierter Dipol in der zylindrischen Vorrichtung zu einem Wert von Ina/Ibd = 0.18 (gemittelt über das NV-Emissionsband von 630 nm bis 800 nm), während derselbe Dipol in der Parabolvorrichtung Ina/Ibd = 0,68 ausgibt. Der nahezu vierfache Anstieg der wellenförmigen Emission zeigt die Festigkeit des Parabolausgestaltung, selbst unter Berücksichtigung der Interferenz durch die Halteplatte und Austrittsapertur. Um den Beitrag der Parabel von dieser Störung zu isolieren, wurde eine zweite Simulation durchgeführt, bei der der Wellenleiterabschnitt in der perfekt absorbierenden Wand des Simulationsraums abgeschlossen ist. Die wellenleitende Leistung Iwg wurde gemessen und es konnte nachgewiesen werden, dass die parabolische Ausgestaltung über das NV-Emissionsband eine konstant höhere gesammelte Leistung zeigt. Wenn die in Fig. 1 gezeigte, tatsächlich gefertigte Vorrichtung in der Simulation verwendet wurde, konnten sehr ähnliche Ergebnisse wie bei einer idealen Parabolsäule beobachtet werden.

[0077] Eine weitere vollständige Struktursimulation wurde durchgeführt, um das Fernfeldemissionsmuster für jede Vorrichtung zu bestimmen. Durch Auftragen der Emissionsintensität in Abhängigkeit vom Polarwinkel wurde beobachtet, dass die größere Apertur der Parabolvorrichtung die Fernfeldemission innerhalb einer kleinen numerischen Apertur (NA) von 0,25 konzentriert. Die zylindrische Säule hingegen erfährt durch ihre Apertur im Wellenlängenbereich eine signifikante Beugung, was zu einer viel größeren NA = 0,65 führt.

[0078] Es wurde festgestellt, dass im Falle eines p-polarisierten Dipols (Fig. 1(b), blaue Linien) aufgrund der Nahfeld-Diamant-Luft-Grenzfläche und einer schlechten Überlappung mit dem Wellenmodus die ausgekoppelte Leistung in allen Fällen um einen Faktor ≥ 7 unterdrückt wird. Aus diesen Erkenntnissen wird deutlich, dass ein s-polarisierter Dipol optimal ist, was der Fall wäre, wenn die NV-Achse mit der Säulenachse ausgerichtet wäre.

[0079] Für die Entwicklung der parabolischen Diamantspitzen beginnen wir mit einem hochreinen Diamanten des Typs IIa (Element sechs, [N]<5 ppb, (100) Oberfläche), implantiert mit 2 × 1011 cm-2 14 N bei 12 keV und einer Neigung von 7° zur Probennormalen. Anschließend wird der Diamant geglüht. Weitere Informationen zum Glühprozess sind in der folgenden Schrift aufzufinden: Y. Chu, et al., Coherent optical transitions in implanted nitrogen vacancy centers, Nano Lett., 14, 4 (2014)

[0080] Die Glühbehandlung ergibt eine geschätzte NV-Tiefe von 20 nm. Scheiben mit einem Durchmesser von ~ 1 mm wurden verwendet, strukturiert durch Elektronenstrahllithographie in einem fließfähigen Oxidresist (FOX-16, Dow-Corning) mit einer Dicke von -300 nm als Ätzmaske.

[0081] Der folgende Fertigungsprozess umfasst dann zwei Trockenätzstufen. Die erste, die zur Fertigung des Wellenleiterteils verwendet wird, besteht aus einer induktiv gekoppelten plasmareaktiven Ionenätzung (inductively coupled plasma reactive ion etch - ICP-RIE, Sentech) mit vorwiegend O2-Ätzchemie und kurzen Schritten von O2und CF4, um die Wände der Vorrichtung von nachgesputtertem Material zu befreien.

[0082] Die zwei Ätzschritte können insgesamt neunmal wiederholt werden, um eine Säule von ~6 µm zu erzielen. Am Ende dieser Stufe weist die Maske einen trapezförmigen Querschnitt mit einem Basisdurchmesser von 900 µm auf.

[0083] Für die zweite Stufe wurde CF4 während der gesamten Ätzdauer mit steigenden Flussraten für aufeinander folgende Stufen induziert, was die FOX-Maske proportional zur CF4-Konzentration erodiert. Dies ermöglicht zusammen mit dem trapezförmigen Querschnitt die Abstimmung des Winkels der Wände durch Steuern der relativen Ätzrate einer FOX-Maske und des Diamanten. Ein typisches Endgerät ist in Fig. 1 gezeigt und weist einen parabolischen Spitzenabschnitt mit einer flachen Endfacette von ~ 200 nm und einen langen, abgeschrägten Wellenleiterabschnitt auf. Wie bereits erwähnt, weisen Simulationen des Endgeräteprofils auf ähnliche Leistungseigenschaften wie die Parabolgeometrie hin. Es ist zu beachten, dass die Säule auf einer vorgeätzten Diamantplatte mit 20 × 40 µm<2>gefertigt ist, die es ermöglicht, die Abtastsonde entsprechend etablierten Vorgängen problemlos an einer Quarz-Stimmgabel für Kraftrückkopplung anzubringen, was dies zu einem problemlos skalierbaren Vorgang macht.

[0084] Die etablierten Vorgänge lassen sich aus folgender Schrift ableiten: P. Appel, E. Neu, M. Ganzhorn, A. Barfuss, M. Batzer, M. Gratz, A. Tschöpe und P. Maletinsky. Fabrication of all diamond scanning probes for nanoscale magnetometry, Rev. Sci. Instrum. 87, 6 (2016).

[0085] Die verschiedenen Fertigungsstufen sind in Fig. 2 gezeigt.

[0086] Die Fertigung kann als ein Verfahren zum Trockenätzen von gekrümmten Oberflächen in Diamant beschrieben werden.

[0087] Das Verfahren kann wie folgt beschrieben werden:

Schritt A: Bereitstellen eines geeigneten Diamanten 100

[0088] In diesem Schritt kann eine Oberflächenvorbereitung, wie etwa eine Reinigung oder andere Vorbereitungen, eingeschlossen sein. Auch die Vorbereitung des Defekts an der Oberfläche kann in Schritt A eingeschlossen sein. Im Falle eines NV-Defekts wird Stickstoff bis in eine kontrollierte Tiefe unter der Diamantoberfläche implantiert und wird der Diamant unter Bildung von NV-Zentren geglüht.

Schritt B: Abscheidung eines eBeam-Resists 200

[0089] Als bevorzugter eBeam-Resist kann eine fließfähige Oxidmaske verwendet werden. Ein bevorzugtes Material für eine solche Oxidmaske kann eine anorganische Polymerschicht sein. Am meisten als Material bevorzugt kann FOx-16 von Dow Corning in der im Jahr 2019 gelieferten Zusammensetzung sein.

Schritt C. Bildung der Ätzmaske 300

[0090] Aus der Schicht kann durch eine Behandlung durch die Elektronenstrahllithographie eine Ätzmaske gebildet werden, sodass der Resist entwickelt werden kann, um die Ätzmaske zu bilden.

Schritt D. Ätzen 400

[0091] Der Diamant kann einem induktiv gekoppelten Plasma ausgesetzt werden, wodurch der Diamant in einem reaktiven lonenätzprozess geätzt wird.

[0092] Während des ersten Teils des Ätzprozesses wird eine Ätzchemie, vorzugsweise O2401, verwendet, die in erster Linie den Diamanten angreift und eine abgeschrägte, konische Diamantsäule bildet. Der Abschrägungswinkel dieses Abschnittes kann vorzugsweise kleiner als 12 Grad sein.

[0093] Gleichzeitig kann die Maske am Rand erodiert werden, um einen trapezförmigen Querschnitt zu bilden.

[0094] Die Seitenwände der Maske sind in einem Winkel von ungefähr 45 Grad geneigt. Es ist zu beachten, dass der Winkel nicht genau 45 Grad betragen muss, sondern im Wesentlichen aus der vertikalen Richtung geneigt sein sollte.

[0095] Während des zweiten Teils der Ätzung wird die Ätzchemie durch Zugeben eines das Maskenmaterial ätzenden Mittels, vorzugsweise CF4402, modifiziert. Durch Ändern der Konzentration von CF4gegenüber O2wird der Winkel der resultierenden Diamantseitenwand verändert.

[0096] Mehrere CF4:O2-Verhältnisse können nacheinander verwendet werden, um ein gekrümmtes Oberflächenprofil zu erhalten. Der mit diesem Prozess erziele Winkelbereich kann zwischen 10 und 50 Grad, vorzugsweise zwischen 12 und 50 Grad, liegen. Das Verhältnis kann durch eine Steuereinheit 403 gesteuert werden, die das Volumen von in den Ätzprozess eingebrachtem CF4und/oder O2steuern kann.

[0097] Die relative Ätzrate der Maske gegenüber dem Diamanten wird durch Einstellen der Ätzchemie variabel gesteuert. Dies unterscheidet es von anderen Verfahren für gekrümmte oder abgewinkelte Flächen, d. h. „Graustufen“-Lithographie oder Maskenerosion bei festgelegten Bedingungen. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht daher eine wesentlich bessere Kontrolle über die Form der Wand, sogar über die parabolische Form hinaus.

[0098] Wie vorangehend erwähnt, kann das Ätzen als reaktives lonenätzen der Maske in Sauerstoffplasma durchgeführt werden, um einen geneigten Querschnitt am Rand der Maske zu bilden, sodass die Maske von einem Abschnitt mit einheitlicher Dicke zu einem Punkt am Rand abgeschrägt wird.

[0099] Die reaktive lonenätzen der Maske kann mit einer Kombination aus Sauerstoff und CF4-Plasma bereitgestellt werden. Das Sauerstoffplasma greift in erster Linie den Diamanten an, während das CF4-Plasma in erster Linie die FOx-16-Maske angreift. Damit kann durch Variieren der relativen Konzentration von Sauerstoff gegenüber CF4 der Winkel der Wand des Diamanten gesteuert werden. Mit einer derartigen Technik ist es möglich, Winkel zwischen 10 Grad und 50 Grad zu erzielen.

[0100] Das Ätzverfahren ermöglicht ein Ätzen von gekrümmten Oberflächen, insbesondere für nanooptische Vorrichtungen.

[0101] Diese Technik kann zur Fertigung von parabelförmigen Diamantabtastsonden mit flachen Endfacetten verwendet werden. Es ist möglich, Seitenwände mit Winkeln zwischen 10 und 50 Grad von der Vertikalen zu ätzen und durch Variieren der Konzentration von Gasen während des Ätzens können gekrümmte Oberflächen erhalten werden. Durch eine Änderung der Konzentration der Gase kann die Maskenerosion gesteuert werden.

[0102] Durch eine Kombination aus einer Elektronenstrahllithographiemaske und Sauerstoffätzen wurden verschiedene Nanosäulenformen erzielt, jedoch ohne dass die Maskenerosion zum Steuern des Ätzwinkels verwendet wurde. Die wichtigste alternative Technik zur Herstellung gekrümmter Oberflächen besteht darin, eine Graustufenmaske (d. h. mit variierender Dicke) zu erzeugen, indem der Resist nach seiner Abscheidung „rückgeströmt“ wird. Das Rückströmen beinhaltet vorsichtiges Erhitzen des Resists, bis dieser flüssig wird und eine Blase auf der Oberfläche bildet. Der Resist wird dann geätzt, typischerweise in einem einzigen Ätzschritt mit einheitlichen Ätzbedingungen, sodass die Krümmung der Blase in das Substrat übertragen wird.

[0103] Innerhalb unserer Suche haben wir nur eine andere Ressource gefunden, in welcher der Winkel der Diamantsäulen während zwei Techniken - eine mit einer ähnlichen Maske und eine mit einem Lift-off-Vorgang und einer Cr-Maske, die beide dann eine CHF3/O2-Atzchemie verwenden - innerhalb eines großen Arrays mit der Erosion einer harten Maske (wie etwa der, die wir verwenden) in Verbindung steht. Hier wird vorgeschlagen, dass der Winkel durch die Erosion der Maske erscheint, jedoch nur die Winkelabhängigkeit von der Säulenperiode und dem -durchmesser untersucht werden soll.

[0104] Die vorangehend beschriebene Technik ist auf willkürliche Geometrien erweiterbar, wenngleich ein weiterer Fokus auf kreissymmetrischen Geometrien liegen könnte. Diese Technik ist relativ einfach umzusetzen, da sie ein Ätzen einer einzigen Maske erforderlich macht.

[0105] Für die Herstellung der planaren Endfacette können verschiedene Techniken verwendet werden. Die hergestellten Diamantabtastsonden weisen eine verbesserte photonische Leistung gegenüber den bestehenden handelsüblichen Abtastsonden auf.

[0106] Die mit diesem Verfahren gefertigten Abtastsonden sammeln dank einer verbesserten Empfindlichkeit, die sich aus der Krümmung des Diamanten ergibt, Daten etwa 5-bis 10-mal schneller als die bestehenden Sonden.

[0107] Die Effektivität der vorstehend beschriebenen parabolischen Spitze mit der planaren Oberfläche kann für die Abtastmagnetometrie durch Durchführen von Messungen eines aus der Ebene heraus magnetisierten Ferromagneten, insbesondere eines CoFeB-Streifens mit einer Dicke von 1 nm und einer Breite von 0,73 Zoll gezeigt werden, der durch eine Ta-Schicht von 5 nm abgeschlossen ist. Eine einzige Abtastsonde ist in einer selbstgebauten konfokalen Abtastanordnung montiert und ein kleines externes Feld entlang der NV-Achse wurde angewendet, um die Spin-Zustände zu teilen. Die Zeilenabtastungen wurden über den Streifen durchgeführt, wodurch alle 20 nm ein ODMR-Spektrum aufgezeichnet wurde. Die Frequenzlage der unteren ODMR-Resonanz wurde aufgezeichnet und dadurch wurde das Feld entlang der NV-Achse durch Vergleichen davon mit der berührungslosen Nullfeldaufspaltung extrahiert.

[0108] Auf Grundlage einer Passung der Messsignale kann eine Probenmagnetisierung von (1,0 ± 0,2) mA und eine Trennung von (45 ± 5) nm zwischen der NV und dem CoFeB-Streifen extrahiert werden. Da das CoFeB durch eine Ta-Schicht von 5 nm abgeschlossen ist, beträgt die effektive Trennung zwischen der NV und der Ta-Fläche (40 ± 5) nm. Dadurch wird eine hervorragende räumliche Empfindlichkeit bereitgestellt.

[0109] Abschließend zeigte die parabolische Diamantabtastsonde, die einzelnen NV-Zentren enthielt, ihre Verwendung für die Magnetfeldabbildung im Nanobereich. Die parabolische Ausgestaltung eignet sich ideal für Sensoranwendungen, da sie eine hohe Rate von detektierten Fotonen aus einem oberflächennahen NV liefert. Die Vorrichtungen könnten weiter verbessert werden, indem eine Antireflexionsbeschichtung auf der Rückseite der Platte integriert wird, indem ein ausgerichteter Diamant, um eine optimale Modusüberlappung mit den optischen NV-Übergangsdipolen zu erzielen, und eine bessere seitliche NV-Platzierung durch deterministische Ausrichtung an vorausgewählten NVs verwendet werden (111). Die Ausgestaltung ist vielseitig und kann auf viele interessierende Systeme angewendet werden, einschließlich dem Erfassen von Magnetfeldern und elektrischen Feldern oder der Temperatur durch Abtastsonden sowie der NMR-Erfassung von Molekülen oder Materialien, die an der Diamantoberfläche angebracht sind.

[0110] Die Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Diamantabtastelements 1 gemäß Fig. 1 lässt sich so zusammenfassen, dass es eine Säule 8 mit einem als Spitze 2 gebildeten Endabschnitt aufweist. Ein Seitenabschnitt dieser Spitze 2 kann vorzugsweise die Form eines Paraboloidstumpfs und einer flachen, insbesondere planaren, Endfacette 4 annehmen. Es ist zu beachten, dass die planare Form der Endfacette lediglich eine bevorzugte Ausführungsform ist. Flach bedeutet, dass die Endfläche einen wesentlich niedrigeren Gradienten als der Seitenabschnitt aufweist. Der Gradient sollte kleiner als 10 %, vorzugsweise kleiner als 8 %, besonders bevorzugt kleiner als 5 %, in Bezug auf eine Ebene senkrecht zu der Längsachse der Säule 8 sein. Die Spitze 2 kann vorzugsweise als abgeschrägte Diamantsäule gebildet sein, die vorzugsweise an ihrer Basis monolithisch an einer Diamantplatte als Träger 5 angebracht ist.

[0111] An der Spitze der Diamantsäule wird die Abschrägungsrate stetig erhöht, sodass das Profil der Säule einer paraboloiden Seitenfläche 3 angenähert wird. Es ist nicht unbedingt notwendig, dass die Form paraboloidal ist, aber die Abschrägungsrate sollte zur Spitze hin zunehmen. Der Abschrägungswinkel an der Spitze sollte nahe an 45 Grad oder mehr betragen, um eine Vorrichtung zu erhalten, die Licht aus einem breiten Wellenlängenband effizient sammelt.

[0112] Die Abschrägung setzt sich nicht auf einen Radius von null fort, sondern der Spitzenradius ist endlich und vorzugsweise größer als ungefähr 50 nm; d. h., die Spitze der Säule ist eine flache Facette.

[0113] Ein Defekt 6 (NV-Zentrum) ist in der Spitze der Säule, im Brennpunkt des Paraboloids und gerade innerhalb der Ebene der flachen Facette der Spitze platziert. Der Defekt kann auch in eine beliebige Richtung versetzt vom Brennpunkt verlegt werden, die Vorrichtung funktioniert weiterhin, jedoch nicht so effizient.

[0114] Der Defekt ist empfindlich gegenüber äußeren Feldern, wie etwa Magnetfeldern oder elektrischen Feldern, die durch eine Probe erzeugt werden, die in die nähere Umgebung der flachen Facette gebracht wird.

[0115] Die Säule stellt einen Wellenleiter 7 für das von dem Defekt emittiert Licht dar und die Basis 5 der Säule stellt eine Apertur 10 dar, durch die das von dem Defekt emittiert Licht hindurchtritt. Die Rückseite 9 der Diamantplatte reflektiert dieses Licht, sodass die Divergenz des Lichts unter dem Winkel der inneren Totalreflexion für eine Diamant-Luft-Grenzfläche liegen sollte, vorzugsweise bei 24,3-24,7 Grad, besonders bevorzugt bei etwa 24,5 Grad. Für das NV-Zentrum bedeutet dies eine minimale Apertur, vorzugsweise zwischen 0,9 und 1,1 µm, besonders bevorzugt von etwa 1 µm.

[0116] Die flache Facette am Ende ist bereitgestellt, um die Entfernung zwischen dem NV-Defekt, bei dem es sich um den Sensor handelt, und der zu messenden Probe zu minimieren.

[0117] Ferner wird der zur Spitze hin zunehmende Abschrägungswinkel bereitgestellt, um eine hohe Sammeleffizienz über ein breites Spektralband zu erzielen, ohne den Spitzendurchmesser oder -radius zu groß zu machen, da ein größerer Spitzenradius die Leistung als Abtastsonde beeinträchtigt.

Liste der Bezugszeichen

[0118] 1 Diamantabtastelement 2 Spitze 3 Seitenabschnitt 4 Endfacette 5 Träger 6 Defekt 7 Wellenleiter 8 Säule 9 Rückseite 10 Apertur 50 Durchmesser der Endfacette X Längsachse 100 Schritt A 200 Schritt B 300 Schritt C 400 Schritt D 450 erster Schritt des Ätzens 460 zweiter Schritt des Ätzens 401 O2402 CF4403 Steuereinheit

Claims (11)

1. Diamantabtastelement (1), insbesondere für eine Bildgebungsanwendung, umfassend einen Träger (5) und eine Säule (8), die sich von dem Träger (5) erstreckt, wobei die Säule (8) mit einer Längsachse (X) bereitgestellt ist und wobei die Säule (8) eine Spitze (2) mit einem abgeschrägten Seitenabschnitt (3) mit einer zunehmenden Krümmung umfasst, wobei die Spitze (2) ferner mit einem Sensorelement bereitgestellt ist, wobei es sich um einen Defekt handelt, und wobei die Spitze (2) mit einer flachen Endfacette (4), die sich in Richtung der Längsachse (X) erstreckt, mit einem Gradienten von weniger als 10 % bereitgestellt ist.

2. Diamantabtastelement nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet,dassdie Krümmung konstant zunimmt.

3. Diamantabtastelement nach Anspruch 1 oder 2,dadurch gekennzeichnet,dassdie flache Endfacette (4) einen Durchmesser zwischen 100 und 300 nm aufweist.

4. Diamantabtastelement nach Anspruch 1, 2 oder 3,dadurch gekennzeichnet,dassder Defekt mehrere Dipole bereitstellt, insbesondere einen s-polarisierten Dipol, die senkrecht und parallel zu der Längsachse (X) ausgerichtet sind.

5. Diamantabtastelement nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4,dadurch gekennzeichnet,dassdie flache Endfacette (4) einen Durchmesser aufweist, der mindestens 1 % der Länge der Säule (8) beträgt.

6. Diamantabtastelement nach einem der vorangehenden Ansprüche,dadurchgekennzeichnet,dassdie Spitze (2) das Sensorelement umfasst, bei dem es sich um einen Defekt (6) handelt, der eine Stickstoff-Fehlstelle ist.

7. Diamantabtastelement nach einem der vorangehenden Ansprüche,dadurchgekennzeichnet,dassder Defekt (6) im Zentrum der flachen Endfacette liegt.

8. Diamantabtastelement nach einem der vorangehenden Ansprüche,dadurchgekennzeichnet,dassdie Tiefe des Defekts von der Oberfläche der flachen Endfacette weniger als 40 nm beträgt.

9. Diamantabtastelement nach einem der vorangehenden Ansprüche,dadurchgekennzeichnet,dassdie Krümmung des abgeschrägten Seitenabschnitts (3) der Spitze (2) die Form eines paraboloiden Abschnitts aufweist.

10. Diamantabtastelement nach einem der vorangehenden Ansprüche,dadurchgekennzeichnet,dassdie Länge der Säule (8) zwischen 3,0 bis 6,0 µm beträgt.

11. Verfahren zur Fertigung eines Diamantabtastelements nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das einen Träger und eine Säule umfasst, die sich von dem Träger erstreckt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: A: Bereitstellen eines geeigneten Diamantmaterials (100); B: Abscheidung eines Resists (200); C: Bildung einer Ätzmaske (300); D: Ätzen (400); dadurch gekennzeichnet,dasswährend des Ätzens (400) eine erste chemische Verbindung (401) verwendet wird, die in erster Linie den Diamanten angreift und damit eine abgeschrägte konische Säule aus Diamant bildet, und wobei während des Ätzens (400) eine zweite chemische Verbindung (402), die in erster Linie das Maskenmaterial angreift, der ersten chemischen Verbindung (401) zugesetzt wird, wobei das Ätzen (400) in Schritt D in zwei Schritten bereitgestellt wird, wobei in einem ersten Schritt des Ätzens (450) die erste chemische Verbindung zum Bilden einer abgeschrägten konischen Säule aus Diamant verwendet wird, wobei der Abschrägungswinkel dieses Abschnitts weniger als 12 Grad beträgt, und wobei die Maske am Rand erodiert wird, um einen trapezförmigen Querschnitt zu bilden, und wobei in dem zweiten Schritt des Ätzens (460) die Ätzchemie durch Zugeben der zweiten chemischen Verbindung (402), die das Maskenmaterial derart ätzt, dass der Winkel einer resultierenden Diamantseitenwand verändert wird, modifiziert wird, und wobei die erste chemische Verbindung (401) O2ist und die zweite chemische Verbindung (402) CF4ist und wobei mehrere CF4:O2-Verhältnisse nacheinander verwendet werden, um ein gekrümmtes Oberflächenprofil zu erhalten.