DE102004011363A1

DE102004011363A1 - Element mit strukturierter Oberfläche sowie Verfahren zu seiner Herstellung

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Publication number: DE102004011363A1
Application number: DE200410011363
Authority: DE
Inventors: Volker Dr.-Ing. Weihnacht; Bernd Dr. rer. nat. habil. Schultrich; Thomas Dr. rer. nat. Mühl
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2004-03-05
Filing date: 2004-03-05
Publication date: 2005-09-29

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Element mit strukturierter Oberfläche sowie ein Verfahren zur Herstellung solcher Elemente. Dabei ist es Aufgabe der Erfindung, solche Elemente zur Verfügung zu stellen, die eine erhöhte Speicherkapazität für Informationen erreichen und/oder in extrem miniaturisierter Form vielfältige Anwendungsmöglichkeiten erschließen können. Das erfindungsgemäße Element mit strukturierter Oberfläche ist dabei so ausgebildet, dass auf einer Oberfläche eines Substrates eine Schicht aus amorphem Kohlenstoff ausgebildet ist. In der Schicht sind nanoskalige lokal definiert angeordnete Bereiche mit gegenüber der amorphen Kohlenstoffschicht erhöhter elektrischer Leitfähigkeit und/oder erhöhter Schichtdicke durch eine lokale Modifikation ausgebildet worden.

Description

Die Erfindung betrifft Elemente mit strukturierter Oberfläche, bei denen auf einer Oberfläche eines Substrates eine Schicht aus amorphem Kohlenstoff ausgebildet ist sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren für solche Elemente.
Durch eine nanoskalige Strukturierung bei einer solchen Oberfläche, die aus im Wesentlichen amorphem Kohlenstoff gebildet ist, können die erfindungsgemäßen Elemente vielfältig eingesetzt werden. So können diese beispielsweise als Langzeitspeicher für digital oder analog auslesbare Informationen dienen und einen Langzeitspeicher für hochkomprimierte Informationen zur Verfügung stellen. Ein erfindungsgemäßes Element kann aber auch als nanostrukturiertes Schaltkreiselement ausgebildet sein oder es ist auch für optische Anwendungen geeignet. Außerdem besteht die Möglich keit, ein solches Element als Werkzeug oder für die Herstellung von Werkzeugen einzusetzen, mit denen durch Prägung oder anderweitige Abformung Gegenstände mit entsprechend nanostrukturierter Oberfläche hergestellt werden können.
Herkömmliche Lösungen bei denen auf bestimmten Oberflächen Strukturierungen im Nanometerbereich ausgebildet worden sind, weisen häufig wegen der eingesetzten Werkstoffe Defizite auf, so dass die Herstellungskosten bei diesen extrem miniaturisierten Strukturen entsprechend erhöht sind. Andere üblicherweise eingesetzte Werkstoffe erreichen keine ausreichende Langzeitstabilität, da ihre mechanischen, chemischen, elektrischen und elektromagnetischen Eigenschaften Grenzen setzen.
Bei Anwendung solcher nanostrukturierten Elemente für die Speicherung von Informationen sind Grenzen bezüglich der Speicherkapazität je Flächeneinheit solcher Elemente zu verzeichnen, da ausschließlich eine digitale Speicherung möglich ist.
Es hat sich aber gezeigt, dass amorpher Kohlenstoff, der häufig auch als diamantähnlicher Kohlenstoff bezeichnet wird, insbesondere wegen seiner mechanischen und chemischen Eigenschaften gute Voraussetzungen aufweist.

So wurde in DE 197 33 520 C2 ein Verfahren zur Nanostrukturierung von amorphen Kohlenstoffschichten beschrieben. Dabei soll mittels einer elektrisch leitfähigen oder halbleitenden Sonde durch eine chemische Reaktion von Kohlenstoff diese bereichsweis entfernt werden, um die jeweilige Oberfläche solcher amorphen Kohlenstoffschichten mit einer entsprechen den Nanostrukturierung versehen zu können. Diese kann dann für die Speicherung digitaler oder analoger Informationen genutzt werden.

Mit dieser bekannten Lösung kann zwar eine sehr kleine Auflösung erreicht werden. Es sind aber Grenzen bezüglich der erreichbaren Speicherkapazität pro Flächeneinheit gesetzt. Außerdem bestehen Defizite bezüglich der Möglichkeiten für das Auslesen der so gespeicherten Informationen.

Außer einem Einsatz als Speicher von Informationen sind keine weiteren Applikationen möglich.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine Lösung vorzuschlagen, mit der Elemente zur Verfügung gestellt werden können, die eine erhöhte Speicherkapazität für Informationen erreichen und/oder in extrem miniaturisierter Form vielfältige Anwendungsmöglichkeiten erschließen können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe, mit einem Element, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Ein solches Element kann gemäß Patentanspruch 25 hergestellt werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung können mit den in den untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.

Die erfindungsgemäßen Elemente mit einer strukturierten Oberfläche sind dabei so ausgebildet, dass auf einer Oberfläche eines Substrates eine Schicht aus amorphem Kohlenstoff ausgebildet worden ist. In dieser Schicht sind durch eine lokale Modifikation nanoskalige Bereiche ausgebildet und definiert angeord net, die gegenüber der eigentlichen nicht modifizierten amorphen Kohlenstoffschicht eine erhöhte elektrische Leitfähigkeit und/oder Schichtdicke aufweisen.

Bevorzugt sollte eine Schicht aus amorphem Kohlenstoff ausgebildet worden sein, die eine homogene Zusammensetzung aufweist, was bedeutet, dass der Anteil an Verunreinigungen klein gehalten wird. Hierfür können an sich bekannte Beschichtungstechniken im Vakuum eingesetzt werden. Bei Anwendung der besonders effektiven Vakuumbogenbeschichtung sollten, zur Vermeidung der so genannten Droplet-Bildung geeignete Filter eingesetzt werden.

Ganz besonders vorteilhaft sollten die Schichten auf der Oberfläche des Substrates aus tetragonal gebundenem Kohlenstoff (ta-C) gebildet sein.

Die zur Ausbildung der erfindungsgemäß in der amorphen Kohlenstoffschicht ausgebildeten Bereiche durchzuführende lokale Modifikation kann durch einen definierten, relativ geringen Energieeintrag erreicht werden, so dass sich in den jeweiligen Bereichen eine Phasenumwandlung vollzieht und diese Bereiche dann im Nachgang zumindest überwiegend aus graphitischer sp2-Phase von Kohlenstoff gebildet sind. Infolge dieser Phasenumwandlung wird eine Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit und mit einer Verringerung der physikalischen Dichte einhergehenden Volumenvergrößerung auch eine Erhöhung der Schichtdicke in den entsprechend modifizierten Bereichen der amorphen Kohlenstoffschicht erreicht.

Bei der erfindungsgemäßen Elementen können so beide sich verändernden Parameter an den modifizierten Bereichen allein oder in Kombination ausgenutzt werden.

So kann die sich entsprechend verändernde Oberflächentopographie in nanoskaliger Form für das Speichern und Auslesen von Informationen in digitaler oder auch in analoger Form ausgenutzt werden, wie auch die sich verändernde elektrische Leitfähigkeit.

Die elektrische Leitfähigkeit der modifizierten Bereiche ist dabei mindestens um einen Faktor 10 größer, als die Leitfähigkeit der eigentlichen amorphen Kohlenstoffschicht. Es bestehen aber auch Möglichkeiten, durch entsprechende Einflussnahme/Modulation bei der Modifizierung an erfindungsgemäß vorhandenen Bereichen entsprechend variable elektrische Leitfähigkeiten und jeweilige Schichtdickenerhöhungen gezielt einzustellen.

So kann in Bereichen auch eine um einen Faktor von 1000 und mehr erhöhte elektrische Leitfähigkeit gegenüber dem eigentlichen amorphen Kohlenstoff eingestellt werden.

Auch durch variable Einstellung von unterschiedlichen Schichtdicken an Bereichen, die an/in einer Schicht aus amorphem Kohlenstoff durch Modifizierung ausgebildet worden sind, kann die dritte nunmehr zur Verfügung stehende Dimension zusätzlich genutzt werden.

Neben diesen Parametern können auch weitere physikalische Eigenschaften, wie z.B. die Austrittsarbeit für Elektronenemission und Sekundärelektronen-Charakteristik durch eine bereichsweise Modifizierung verändert und die sich dadurch verändernden physikalischen Parameter ausgenutzt werden.

Als Substrat können solche aus unterschiedlichsten Werkstoffen eingesetzt werden. In bestimmten Fällen sind aber elektrisch leitende oder halbleitende Substrate, bzw. mit solchen Schichten an ihren jeweiligen Oberflächen versehenen Substrate zu bevorzugen, so dass beispielsweise an solche Substrate oder Schichten ein Potential angelegt werden kann, um dies beispielsweise für die Ausbildung der erfindungsgemäß gewünschten Bereiche ausnutzen zu können, oder diesen Effekt beim Einsatz erfindungsgemäßer Elemente zum Auslesen von Informationen oder als Schaltkreiselement zusätzlich ausnutzen zu können.

Bei einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung besteht aber auch die Möglichkeit, die infolge der Modifikation ausgebildeten Bereiche aus graphitischer sp2-Phase zu entfernen. Dies kann dann unter dem Aspekt einer gegebenenfalls gewünschten weiter erhöhten elektrischen Leitfähigkeit an den Bereichen, wie auch einer gegebenenfalls gewünschten erhöhten mechanischen Festigkeit und/oder chemischen Beständigkeit der Fall sein. Die Entfernung der graphitischen sp2-Phase von Kohlenstoff kann relativ einfach mittels an sich bekannter trocken- oder auch nasschemischen Ätzverfahren durchgeführt werden, da die übrige aus amorphem Kohlenstoff gebildete Schicht gegenüber diesen Verfahren deutlich beständiger ist.
Die Bereiche, aus denen vorab die graphitische sp2-Phase entfernt worden ist, können dann mit einem geeigneten Metall ausgefüllt werden, das dann die gewünschten elektrischen und mechanischen Eigenschaften aufweisen kann. Die Ausbildung einer Metallschicht/Metallisierung kann beispielsweise durch eine galvanische Abscheidung elektrochemisch bzw. auch stromlos erfolgen.
Es besteht aber auch die Möglichkeit geeignete Schichten unmittelbar auf die Oberfläche der Bereiche, die aus graphitischer sp2-Phase von Kohlenstoff gebildet sind, abzuscheiden.
Eine auf der Oberfläche von Substraten ausgebildete Schicht aus amorphem Kohlenstoff sollte eine möglichst konstante Schichtdicke aufweisen, die im Bereich zwischen 1 nm bis hin zu 1000 nm liegt, wobei für viele Anwendungen relativ kleine Schichtdicken zu bevorzugen sind, die ≤ 50 nm betragen. Der sp3-Anteil innerhalb der Schicht aus amorphem Kohlenstoff sollte oberhalb 30 %, möglichst jedoch darüber liegen.
Die in der Schicht des amorphen Kohlenstoffs lokal definiert angeordnet ausgebildeten Bereiche sollten eine Breite, einen Durchmesser oder eine maximale Flächendiagonale durch einen Querschnitt eines Bereiches zwischen 1 nm bis maximal 100 nm aufweisen.
Die Bereiche können in Form von Punkten ausgebildet sein, die bevorzugt, wenn sie als Träger von Informationen dienen sollen, diskret zueinander angeordnet sind, so dass eine eindeutige Trennung einzelner punktförmiger Bereiche detektiert werden kann.
So kann jeder einzelne punktförmig ausgebildete Bereich für eine auslesbare digitale oder analoge Information genutzt werden. Als analoger Informationsträger kann so beispielsweise jeder einzelne punktförmige Bereich quasi ein Pixel einer Bilddarstellung sein.
Die erfindungsgemäß in einer amorphen Kohlenstoffschicht ausgebildeten Bereiche können aber auch linienförmig ausgebildet sein, so dass ein entsprechender Linienzug infolge seiner gegenüber dem amorphen Kohlenstoff veränderten elektrischen und gegebenenfalls auch optischen Eigenschaften genutzt werden kann. Solche linienförmigen Bereiche können dementsprechend elektrisch leitende oder halbleitende Verbindungen für eine nanoskalige Schaltung bilden.
Insbesondere in diesem Fall kann es vorteilhaft sein, dass solche Bereiche teilweise oder vollständig über die gesamte Schichtdicke der amorphen Kohlenstoffschicht bis auf die eigentliche Substratoberfläche oder eine auf dieser Oberfläche ausgebildete Schicht geführt sind, die dann vorteilhaft ebenfalls elektrisch leitend sein sollte oder halbleitende Eigenschaften aufweisen sollte.
Insbesondere für den Fall, dass die erfindungsgemäßen Bereiche elektrisch leitende oder halbleitende Strukturen bilden sollen, kann ein Mehrschichtaufbau an einem erfindungsgemäßen Element vorteilhaft sein.
So kann aus einer amorphen Kohlenstoffschicht, in der erfindungsgemäße Bereiche ausgebildet worden sind, eine weitere Schicht aus amorphem Kohlenstoff als Deckschicht ausgebildet worden sein. Eine solche zusätzliche Schicht aus amorphem Kohlenstoff kann dann wiederum mit in lokal definierter Anordnung ausgebildeten Bereichen versehen werden oder ohne solche Bereiche eine quasi Isolier- oder Schutzschicht darstellen.
Sind mehrere Schichten aus amorphem Kohlenstoff übereinander ausgebildet, in denen erfindungsgemäße Bereiche vorhanden sind, können diese dann wieder lokal gezielt elektrisch leitend bzw. halbleitend miteinander verbunden sein.
In mehreren Ebenen, also in übereinander ausgebildeten Schichten aus amorphem Kohlenstoff ausgebildete Bereiche können aber auch beispielsweise beim Auslesen von Informationen selektiv berücksichtigt werden, ähnlich wie dies bei herkömmlichen DVD's auf optischem Wege durchgeführt wird. Das Auslesen der so mit den in unterschiedlichen Ebenen angeordneten Bereichen gespeicherten Informationen kann dann aber auch nicht optisch durchgeführt werden.
Insbesondere in Fällen, in denen erfindungsgemäße Elemente als Informationsspeicherelemente genutzt werden, ist es vorteilhaft, die jeweiligen Informationen repräsentierenden Bereiche in einer bestimmten bevorzugten Anordnung in der jeweiligen Kohlenstoffschicht auszubilden. Dadurch lässt sich der Ausleseprozess von Informationen vereinfachen und verkürzen.
So kann eine entsprechende Anordnung von Bereichen unter Berücksichtigung eines vorgegebenen Rasters positioniert sein, wobei je nach geometrischer Gestaltung des jeweiligen Elementes beispielsweise ein kartesisches oder polares Koordinatensystem ein solches Raster vorgeben kann. In einigen Fällen kann ein solches Raster dann auch durch entsprechende Oberflächenstrukturierung des jeweiligen Substrates und/oder der Schicht aus amorphem Kohlenstoff auf einem Element ausgebildet sein.
Insbesondere bei einer rotationssymmetrischen Außenkontur eines mit einer amorphen Kohlenstoffschicht versehenen Substrates kann es günstig sein, die Bereiche auf konzentrischen Kreisen oder mindestens einer spiralförmigen Spur anzuordnen.
Bei einer Anordnung von Bereichen als Informations träger auf konzentrischen Kreisen kann dann ein zeitgleiches Auslesen von Informationen mit mehreren Detektoren, die jeweiligen konzentrischen Kreisen zugeordnet sind, erfolgen. So kann also ähnlich verfahren werden, wie dies beim Auslesen von Informationen bei herkömmlichen Festplattensystemen mit entsprechend modifizierten Detektoren/Leseköpfen der Fall ist.
Wie bereits angedeutet, kann die zur Ausbildung von erfindungsgemäßen Bereichen in amorphen Kohlenstoffschichten durchzuführende Modifizierung durch einen gezielten Energieeintrag erfolgen, wobei dies sowohl in Luft, wie auch zur Vermeidung unerwünschter chemischer Reaktionen und zur eigentlich ausschließlich gewünschten Umwandlung in graphitische sp2-Phase von Kohlenstoff in den Bereichen im Vakuum, bevorzugt Hochvakuum oder einer geeigneten Schutzgasatmosphäre erfolgen soll, so dass keine Entfernung oder chemische Reaktion von Kohlenstoff zu verzeichnen ist.
Da die erfindungsgemäßen Bereiche Abmessungen im nanoskaligen Bereich aufweisen sollen, ist die für die Phasenumwandlung erforderliche Energie/Leistung sehr klein und die erforderlichen Zeiträume liegen bei maximal einer ms und auch darunter.
Der Energieeintrag soll erfindungsgemäß mit einem fein fokussierten Energiestrahl, der auf kleiner als 100 nm fokussiert ist, erfolgen.
Die Positionierung des jeweiligen Energiestrahles kann bevorzugt mit einem mindestens zweidimensional manipulierbaren Mikrohandhabungssystem durchgeführt werden, mit dem eigentlich jeder Punkt der jeweiligen Oberfläche eines erfindungsgemäßen Elementes überstrichen werden kann.
Als Energiestrahl kann beispielsweise ein entsprechend fein fokussierter Elektronenstrahl eingesetzt werden.
Die Ausbildung eines geeigneten Energiestrahls kann aber auch zwischen einer Spitze eines Mikrohandhabungssystems und der Schicht bzw. Substrat ausgebildet werden, wobei zwischen der Spitze und Schicht eine Potentialdifferenz vorhanden ist und möglichst auch keine unmittelbare Berührung der Spitze mit der Schicht aus amorphem Kohlenstoff erfolgt.
Bei der Ausbildung von Bereichen in einer amorphem Kohlenstoffschicht kann die Energie/Leistung des Energiestrahls ortsaufgelöst moduliert werden, um beispielsweise die bereits erwähnten lokal differenzierten unterschiedlichen elektrischen Leitfähigkeiten und Schichtdicken von Bereichen beeinflussen zu können.
Wie bereits mehrfach angedeutet, kann bei der Herstellung erfindungsgemäßer Elemente eine gezielte Einflussnahme auf die jeweilige Applikation genommen werden, so dass auch mit der nanoskaligen Strukturierung zusätzlich nachfolgend vorteilhaft nutzbare Effekte ausgenutzt werden können.
So besteht die Möglichkeit, die mit der erfindungsgemäßen lokal gezielt und auch differenziert erreichbare Phasenumwandlung innerhalb der amorphen Kohlenstoffschicht neben der jeweiligen definierten Position des Bereiches auch die Dimensionierung und Gestalt von Bereichen, in denen eine Phasenumwandlung in graphitischen sp2-gebundenen Kohlenstoff zu erreichen. Es lassen sich dann die an/in den Bereichen veränderten optischen Eigenschaften, wie beispielsweise Absorption, Reflektivität sowie ein veränderter Brechungsindex ausnutzen.
Infolge der Phasenumwandlung des amorphen Kohlenstoffs in Bereichen kann aber auch die elektrische Leitfähigkeit in relativ weiten Grenzen variiert werden, so dass beispielsweise für den Fall, dass Bereiche als elektrische Leiter einer Schaltung konzipiert worden sind, z.B. der ohmsche Widerstand eines solchen elektrischen Leiters einstellbar ist.
Insbesondere bei punktförmig ausgebildeten Bereichen können unterschiedliche elektrische Leitfähigkeiten analog zu unterschiedlichen Schichtdicken zusätzliche Informationen darstellen, die mit entsprechend geeigneten Detektoren auch gleichzeitig ausgelesen werden, so dass eine Erhöhung der Speicherkapazität je Fläche auch dadurch erreichbar ist.
So kann beispielsweise eine Beeinflussung eines über die jeweiligen Bereiche zu einem Detektor gelangenden Feldemissionsstromes ein auslesbares Signal mit entsprechend erhöhtem Informationsgehalt sein.
Sowohl die elektrischen, wie auch die optischen Eigenschaften von durch Strukturierung innerhalb amorpher Kohlenstoffschichten ausgebildeter Bereiche kann auch durch entsprechend lokalisiert auf Oberflächen und gegebenenfalls auch nach Entfernung graphitischer sp2-Phase von Kohlenstoff in Bereichen aufgebrachten Schichten erreicht werden. Wobei hier metallische Überzüge zu bevorzugen sind. Das Aufbringen von zusätzlichen Schichten auf bzw. in Bereiche kann dabei mit an sich bekannten Dünnschichtverfahren im Vakuum erfolgen, wobei dies mit Hilfe von zusätzlichen Masken und gegebenenfalls nachfolgender teilweiser Entfernung des jeweiligen Schichtwerkstoffes von Oberflächenbereichen, bei denen die amorphe Kohlenstoffschicht nicht modifiziert, also keine Phasenumwandlung durchgeführt worden ist, erfolgen kann.
Insbesondere Metallschichten können aber auch galvanisch lokal gezielt aufgebracht werden, wobei auch hier die erhöhte elektrische Leitfähigkeit der aus graphitischem Kohlenstoff gebildeten Bereiche ausgenutzt werden kann.
Eine solche elektrochemische Ausbildung von Schichten in Bereichen kann aber auch günstig durchgeführt werden, wenn die graphitische sp2-Phase aus Bereichen entfernt worden ist und die eigentliche amorphe Kohlenstoffschicht dann auf einem elektrisch leitenden Substrat oder einer auf der Oberfläche des Substrates zwischen Substrat und amorpher Kohlenstoffschicht elektrisch leitenden Zwischenschicht ausgebildet worden ist.
Dabei müssen nicht alle Bereiche eines Substrates mit einer solchen Beschichtung versehen werden bzw. es müssen nicht aus allen Bereichen der überwiegend sp2-gebundende graphitische Kohlenstoff entfernt werden, was beispielsweise bei einem Ätzverfahren mit einer lokal differenziert aufgebrachten Schutzschicht, die bestimmte Oberflächen von Bereichen abdeckt und vor dem Ätzmedium schützen kann, erreichbar ist.
An erfindungsgemäßen Elementen kann eine Speicherdichte oberhalb 5 Tb/cm² erreicht werden, so dass beispielsweise 10¹⁰ Bilder im Passbildformat mit jeweils 300·300 Pixeln auf einer Fläche von 120·120 mm gespeichert werden können und jedes einzelne Bild einen Flächenbedarf von 1,2·1,2 μm hat.
Auf erfindungsgemäßen Elementen gespeicherte Informationen können extrem lange gespeichert werden, ohne dass Informationsverluste zu verzeichnen sind, wobei dies ein wesentlicher Unterschied zu herkömmlichen Magnetspeichersystemen darstellt. Bezüglich der erhöhten Langzeitstabilität wirken sich auch die hierfür günstigen mechanischen und chemischen Eigenschaften des amorphen Kohlenstoffs vorteilhaft aus.
So kann beispielsweise auf nahezu beliebigen Substraten eine relativ dünne Schicht, beispielsweise von 20 nm aus amorphem, bevorzugt tetragonal gebundenem Kohlenstoff (ta-c) beispielsweise mit Verfahren und Vorrichtungen, wie sie in DD 280 338 und DE 196 21 855 A1 beschrieben sind, abgeschieden werden. Die amorphe Kohlenstoffschicht kann dabei einen E-Modul von 600 GPa aufweisen. Der spezifische elektrische Widerstand liegt bei ca. 10⁴ Ω·cm.
Bei der Modifizierung, die zur Ausbildung lokal differenzierter Bereiche einer solchen amorphen Kohlenstoffschicht führen soll, sollte berücksichtigt werden, dass die hierfür erforderliche Phasenumwandlung, ohne chemische Reaktionen und Verluste bei Temperaturen von ca. 1000 °C erfolgt, wobei innerhalb von amorphem Kohlenstoff eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit berücksichtigt werden muss, um die nanoskalige Ausbildung der Bereiche einhalten zu können. So beträgt die Wärmediffusionszeit innerhalb der amorphen Kohlenstoffschicht ca. 1 ns für eine Länge von ca. 100 nm.
Wird die Modifizierung durch Elektronenbeschuss durchgeführt, können elektronische Effekte für die Phasenumwandlung des Kohlenstoffs ursächlich sein, so dass dann die Phasenumwandlung auch bei deutlich tieferen Temperaturen erreicht werden kann.
So konnten erfindungsgemäße Elemente mit einer, wie vorab beschriebenen Schicht aus amorphem Kohlenstoff in einem Rastertunnelmikroskop unter Hochvakuumbedingungen mittels einer STM-Spitze lokal definiert modifiziert werden, um die nanoskaligen Bereiche ausbilden zu können. Dabei wurden zwischen der STM-Spitze und Substrat bzw. amorpher Kohlenstoffschicht eine elektrische Potentialdifferenz von 10 V eingestellt, wobei Substrat bzw. Kohlenstoffschicht als Anode geschaltet waren.
Der Abstand zwischen STM-Spitze und Oberfläche der amorphen Kohlenstoffschicht wurde so eingestellt, dass ein elektrischer Strom von 1 nA floss. Bereits mit dieser geringen Energie kann die zur Ausbildung von Bereichen führende Phasenumwandlung in graphitischen Kohlenstoff erreicht werden.
Durch eine Modulation der Potentialdifferenz zwischen STM-Spitze und Oberfläche der amorphen Kohlenstoffschicht, des jeweiligen dazwischen fließenden elektrischen Stromes und/oder des Abstandes zwischen STM-Spitze und Oberfläche der amorphen Kohlenstoffschicht kann eine gezielte Einflussnahme bei der Phasenumwandlung in graphitischen sp2-gebundenen Kohlenstoff, wie auch über eine Modulation der in die amorphe Kohlenstoffschicht injizierten Leistung genommen werden, so dass eine Variation der jeweiligen Schichtdickenerhöhungen, der Breite bzw. Durchmesser von so ausgebildeten Bereichen und dementsprechend der elektrischen Leitfähigkeit erreicht werden kann.
Das Auslesen der so vorab an bestimmten Positionskoordinaten des jeweiligen Substrates ausgebildeten Bereiche kann dann beispielsweise wieder mit einer oder mehreren STM-Spitzen eines Rastertunnelmikroskops als Informationen erfolgen.
Sowohl beim Einbringen der Informationen, also bei der lokal gezielten Ausbildung von Bereichen, wie auch beim Auslesen der entsprechend lokal gespeicherten Informationen können das jeweilige Substrat und ein für das Auslesen geeigneter Detektor, wie beispielsweise eine STM-Spitze relativ zueinander bewegt werden, so dass ein definiertes ortsaufgelöstes Speichern und Auslesen von Informationen möglich ist. Die Relativbewegung kann dabei beispielsweise durch Rotation eines Substrates um eine Achse und eine entsprechende Auslenkbewegung eines Detektors in radialer Richtung in Bezug zur Rotationsachse erfolgen.
Die Ausbildung von lokal definiert angeordneten, durch Phasenumwandlung in graphitisch gebundene sp2-Phase kann aber auch mittels einer Feldemissionsspitze als Detektor erfolgen, wenn eine solche Feldemissionsspitze relativ in Bezug zur Oberfläche des Elementes bewegt wird und sich dabei der detektierte Feldemissionsstrom in definierter Form verändert, und der entsprechend detektierte Feldemissionsstrom die an der jeweiligen Position mittels eines dort entsprechend ausgebildeten Bereiches, die jeweilige Information repräsentiert und dabei eine ortsaufgelöste Auslesung von Informationen so möglich ist.
Das lokal differenzierte Ausbilden von Bereichen innerhalb amorpher Kohlenstoffschichten auf Substraten kann aber auch mittels eines sehr fein fokussierten Elektronenstrahls erfolgen, der auch zum Auslesen der entsprechend bei der Ausbildung der Bereiche gespeicherten Informationen eingesetzt werden kann.
Auch dies kann in einem herkömmlichen Rasterelektronenmikroskop durchgeführt werden. Dabei kann eine für eine Elektronenstrahllithographie geeignete programmierbare Strahlsteuerung eingesetzt werden. Es wird ein Elektronenstrahl mit 2 keV Energie und 1 nA Strahlstromstärke betrieben und mit einem Fußpunkt entlang eines vorgebbaren Punkt- und/oder Linienmusters über die Oberfläche der Schicht aus amorphem Kohlenstoff geführt, wobei über die Energie/Leistung eine lokal differenzierte Einflussnahme für die zur Ausbildung der gewünschten Bereiche führenden Phasenumwandlung in der Kohlenstoffschicht erreichen zu können.
Auch hier besteht die Möglichkeit, ein so hergestelltes Element mit den entsprechend gespeicherten Informationen in einem Rasterelektronenmikroskop für das Auslesen der gespeicherten Informationen einzusetzen, wobei die Auswertung dann nach entsprechender Positionierung durch Aufnahme mit kurzer Abbildungszeit erfolgen sollte. Ein solches Vorgehen sollte bevorzugt werden, um einen zusätzlichen gegebenenfalls zu weiteren Phasenumwandlungen führenden Energieeintrag beim Auslesen der Informationen zu vermeiden.

Claims

Element mit strukturierter Oberfläche, bei dem auf einer Oberfläche eines Substrates eine Schicht aus amorphem Kohlenstoff ausgebildet ist; in der Schicht durch eine lokale Modifikation nanoskalige lokal definiert angeordnete Bereiche mit gegenüber der amorphen Kohlenstoffschicht erhöhter elektrischer Leitfähigkeit und/oder erhöhter Schichtdicke ausgebildet sind.
Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche aus überwiegend graphitischer sp2-Phase von Kohlenstoff gebildet sind.
Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche eine elektrisch leitende Verbindung zu einem elektrisch leitenden bzw. halbleitenden Substrat oder einer elektrisch leitenden oder halbleitenden Schicht auf der Oberfläche des Substrates bilden.
Element nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche mittels einer auf die Oberfläche der amorphen Kohlenstoffschicht aufgebrachten Metallisierung, die vorab entfernte Bereiche aus überwiegend graphitischer sp2-Phase ausfüllen, gebildet sind.
Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus amorphem Kohlenstoff eine konstante Schichtdicke im Bereich zwischen 1 nm bis 1000 nm aufweist.
Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche eine Breite, einen Durchmesser oder eine maximale Flächendiagonale durch einen Querschnitt im Bereich zwischen 1 nm bis 100 nm aufweisen.
Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche punktförmig ausgebildet sind.
Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche auslesbare digitale oder analoge Informationen darstellen.
Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche linienförmig ausgebildet sind.
Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche elektrisch leitende oder halbleitende Verbindungen bilden.
Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Bereiche über die gesamte Dicke der Kohlenstoffschicht bis zur Oberfläche des Substrates bzw. einer auf der Oberfläche des Substrates ausgebildeten Schicht ausgebildet sind.
Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche auf konzentrischen Kreisen oder mindestens einer spiralförmigen Spur auf dem Substrat angeordnet sind.
Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat eine rotationssymmetrische Außenkontur aufweist.
Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht im Ausgangszustand überwiegend aus tetragonal gebundenem amorphen Kohlenstoff gebildet ist.
Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der sp3-Anteil innerhalb der Schicht aus amorphem Kohlenstoff größer als 30 % ist.
Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Bereiche differenziert erhöhte Schichtdicken aufweisen.
Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Bereiche jeweils eine differenzierte elektrische Leitfähigkeit aufweisen.
Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Bereiche in Bezug zu einem vorgegebenen Raster positioniert sind.
Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Raster mit einer Oberflächenstrukturierung auf dem Substrat und/oder der Schicht ausgebildet ist.
Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass erhöhte elektrische Leitfähigkeit aufweisende Bereiche an ihrer Oberfläche eine Beschichtung aufweisen.
Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche in Bezug zur Schicht aus amorphem Kohlenstoff eine mindestens zehnfach erhöhte elektrische Leitfähigkeit aufweisen.
Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberfläche der aus amorphem Kohlenstoff gebildeten Schicht, in der Bereiche ausgebildet sind, mindestens eine weitere Schicht aus amorphem Kohlenstoff ausgebildet ist.
Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der mindestens einen weiteren Schicht ebenfalls Bereiche ausgebildet sind.
Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in unterschiedlichen Schichten ausgebildete Bereiche punktuell oder bereichsweise miteinander verbunden sind.
Verfahren zur Herstellung eines Elementes nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberfläche eines Substrates mit einer Schicht aus amorphem Kohlenstoff versehen wird, die gebildete Schicht im Vakuum oder einer Schutzgasatmosphäre lokal definiert mit einem auf kleiner als 100 nm feinfokussierten Energiestrahl beaufschlagt wird, um durch eine Phasenumwandlung des amorphen Kohlenstoffes in überwiegend Kohlenstoff, bestehend aus graphitischer sp2-Phase, in Bereichen der Schicht zu erreichen, die eine erhöhte Schichtdicke und/oder elektrische Leitfähigkeit aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiestrahl mittels eines Mikrohandhabungssystems mindestens zweidimensional in Bezug zur Oberfläche positioniert wird.
Verfahren nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass ein feinfokussierter Elektronenstrahl eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiestrahl zwischen einer Spitze des Mikrohandhabungssystems und der Schicht bzw. Substrat ausgebildet wird, wobei zwischen Spitze und Schicht eine Potentialdifferenz vorhanden ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie/Leistung des Energiestrahles ortsaufgelöst moduliert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen der Bereiche beschichtet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die aus überwiegend graphitischer sp2-Phase gebildeten Bereiche durch ein Ätzverfahren entfernt werden.
Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche mit einer metallischen Schicht beschichtet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass eine galvanische Beschichtung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schicht aus amorphem Kohlenstoff, in der Bereiche ausgebildet worden sind, mit mindestens einer weiteren Schicht aus amorphem Kohlenstoff beschichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass in der einen oder mehreren weiteren Schicht(en) ebenfalls Bereiche lokal definiert ausgebildet werden.