DE102004012044A1

DE102004012044A1 - Verfahren zum Herstellen einer im Wesentlichen aus Kohlenstoff bestehenden Schicht, eine Sondeneinheit, ein Verfahren zum Herstellen einer Sondeneinheit und ein Rasterkraftmikroskop mit einer Sondeneinheit

Info

Publication number: DE102004012044A1
Application number: DE102004012044A
Authority: DE
Inventors: Gernot Steinlesberger; Franz Kreupl
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2004-03-11
Filing date: 2004-03-11
Publication date: 2005-09-29

Abstract

Ein Verfahren zum Herstellen einer im Wesentlichen aus Kohlenstoff bestehenden Schicht, welche einen spezifischen Widerstand von weniger als 1 mOMEGAcm und eine Härte zwischen 2 GPa und 9 GPa aufweist, bei dem auf einer Oberfläche eines Substrats in einer Wasserstoffatmosphäre mit einem Gesamtdruck zwischen 1 Hektopascal und 4 Hectopascal und bei einer Temperatur zwischen 600 DEG C und 1000 DEG C eine im Wesentlichen aus Kohlenstoff bestehende Schicht mittels Zuführens eines kohlenstoffhaltigen Gases ausgebildet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer im Wesentlichen aus Kohlenstoff bestehenden Schicht, eine Sondeneinheit, ein Verfahren zum Herstellen einer Sondeneinheit und ein Rasterkraftmikroskop mit einer Sondeneinheit.

In der Nanotechnologie hat sich aufgrund des Auflösungsvermögens im Nanometerbereich bei der Untersuchung von Strukturen, welche kleiner als 100 nm sind, die Rasterkraftmikroskopie etabliert. Die zentrale Messeinheit eines Rasterkraftmikroskops ist ein extrem kleiner Biegebalken, ein so genannter Cantilever, an welchem eine feine Sondeneinheit aus einem leitfähigen Material angeordnet ist. Die Rasterkraftmikroskopie basiert auf der Wechselwirkung zwischen Sondeneinheit und der Probenoberfläche. Die Wechselwirkung mit der zu untersuchenden Probe erfolgt durch Kontakt mit der Oberfläche oder durch Schwingung nahe der Resonanzfrequenz. Durch Scannen der Probe kann man mittels des Rasterkraftmikroskops ein topographisches Bild der Oberfläche der Probe erhalten. Wichtige Eigenschaften einer Sondeneinheit für ein Rasterkraftmikroskop sind einerseits eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit, d. h. ein ausreichend geringer spezifischen Widerstand, andererseits sollte die Sondeneinheit auch eine ausreichende Härte aufweisen.

Die Sondeneinheiten können aus verschiedenartigen Materialien hergestellt sein. Im Stand der Technik sind zwei verschiedene Arten von kohlenstoffbasierten Sondeneinheiten für Rasterkraftmikroskope bekannt. Eine Art sind Sondeneinheiten, welche mittels einer leitfähigen Diamant-Schicht beschichtet sind. Solche diamantbeschichteten Sondeneinheiten weisen den Vorteil auf, dass sie eine große Härte aufweisen, andererseits ist der spezifische Widerstand der diamantbeschichteten Sondeneinheiten, welche bei hochdotierten Diamantschichten, d. h. bei einer Dotierung von 10²⁰/cm³ bis 10²¹/cm³, im Bereich von einigen mΩcm liegt, recht hoch. Eine zweite Art von bekannten Sondeneinheiten wird mittels Wachsens von Kohlenstoff-Nanoröhren hergestellt. Eine solche Kohlenstoff-Nanoröhre, weist eine wesentlich größere spezifische Leitfähigkeit, welche eine Voraussetzung für die Verwendbarkeit als Sondeneinheit in einem Rasterkraftmikroskop ist, auf. Jedoch ist diese Art von Sondeneinheiten in der Herstellung schwer und aufwändig.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines Materials zu schaffen, welches für eine Sondeneinheit geeignet ist, wobei das Material und damit eine Sondeneinheit einfach herzustellen ist und gleichzeitig eine hohe spezifische elektrische Leitfähigkeit aufweist, d. h. einen kleinen spezifischen Widerstand aufweist.

Das Problem wird durch das Verfahren zum Herstellen einer im Wesentlichen aus Kohlenstoff bestehenden Schicht, eine Sondeneinheit, ein Verfahren zum Herstellen einer Sondeneinheit und ein Rasterkraftmikroskop mit einer Sondeneinheit mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.

Bei einem Verfahren zum Herstellen einer im Wesentlichen aus Kohlenstoff bestehenden Schicht, welche einen spezifischen Widerstand von weniger als 1 mΩcm und eine Härte zwischen 2 GPa und 9 GPa aufweist, wird auf einer Oberfläche eines Substrats in einer Wasserstoffatmosphäre mit einem Gesamtdruck zwischen 1 Hektopascal und 4 Hektopascal und bei einer Temperatur zwischen 600°Celsius und 1000°Celsius, bevorzugt zwischen 700°Celsius und 1000°Celsius, die im Wesentlichen aus Kohlenstoff bestehende Schicht mittels Zuführens eines kohlenstoffhaltigen Gases ausgebildet.

Eine Sondeneinheit zum Verwenden in einem Rasterkraftmikroskop, weist zumindest eine Oberflächenschicht auf, welche aus einem Material ist, welches im Wesentlichen aus Kohlenstoff besteht, wobei das Material der Oberflächenschicht einen spezifischen Widerstand von weniger als 1 mΩcm und eine Härte zwischen 2 GPa und 9 GPa aufweist.

Ein Rasterkraftmikroskop weist eine Sondeneinheit auf, welche zumindest eine Oberflächenschicht aufweist, welche aus einem Material ist, welches im Wesentlichen aus Kohlenstoff besteht, wobei das Material der Oberflächenschicht einen spezifischen Widerstand von weniger als 1 mΩcm und eine Härte zwischen 2 GPa und 9 GPa aufweist.

Ein Verfahren zum Herstellen einer Sondeneinheit weist die folgenden Schritte auf. Ausbilden einer strukturierten Maskenschicht auf einem kristallinen Substrat. Ferner wird ein Hohlraum in dem kristallinen Substrat erzeugt mittels isotropen Ätzens des kristallinen Substrats unter Verwendung der strukturierten Maskenschicht und die Sondeneinheit wird unter Verwendung des Hohlraumes ausgebildet, wobei auf der Sondeneinheit zumindest eine Oberflächenschicht aus einem Material ausgebildet wird, welches im Wesentlichen aus Kohlenstoff besteht und welches einen spezifischen Widerstand von weniger als 1 mΩcm und eine Härte zwischen 2 GPa und 9 GPa aufweist.

Unter einer Sondeneinheit wird in dieser Anmeldung das gesamte Element verstanden, welches an der zentralen Messeinheit eines Pasterkraftmikroskops, einem extrem kleiner Biegebalken, angeordnet ist. Eine typische Größe für einen solchen Biegebalken ist etwa 100 μm bis 350 μm. Ferner wird in dieser Anmeldung unter spezifischen Widerstand der spezifische elektrische Widerstand verstanden. Unter einem Substrat wird in dieser Anmeldung jede Art von Trägermaterial verstanden, welches eine Oberfläche aufweist, auf der eine Schicht ausgebildet werden kann.

Anschaulich kann das Verfahren des Ausbildens der Oberflächenschicht als ein Zweistufen-Prozess angesehen werden.

In einem ersten Schritt, einer so genannten Konditionierung, wird eine Wasserstoffatmosphäre ausgebildet, welche eine Oberfläche, auf der nachfolgend die Oberflächenschicht ausgebildet wird, konditioniert. In einem zweiten Schritt wird die eigentlichen Deposition der Oberflächenschicht durchgeführt, indem ein kohlenstoffhaltiges Gas eingeleitet wird. Das kohlenstoffhaltiges Gas wird solange eingeleitet bis ein vorgegebener Gesamtdruck erreicht ist. Nachfolgend wird beim Abscheiden der im Wesentlichen aus Kohlenstoff bestehenden Schicht entweder kein kohlenstoffhaltiges Gas mehr zugeführt, bevorzugt wird jedoch während des Abscheidens der im Wesentlichen aus Kohlenstoff bestehenden Schicht kohlenstoffhaltiges Gas zugeführt, d. h. nachgeliefert, so dass der Gesamtdruck im Wesentlichen konstant bleibt. Das Nachliefern hat den Vorteil, dass die Parameter des Prozesses, insbesondere der Druck, konstant bleiben und das Abscheiden somit unter kontrollierten Bedingungen stattfindet.

Mittels des beschriebenen Verfahrens ist es möglich auf einfache Weise eine Schicht auszubilden, welche aus einem Material besteht, welches sehr gut für die Verwendung als Oberflächenschicht einer Sondeneinheit eines Rasterkraftmikroskops geeignet ist. Das Material besteht im Wesentlichen aus Kohlenstoff und weist Eigenschaften auf, welche sich signifikant von den Eigenschaften von Graphit und einer Diamantschicht unterscheiden.

Als Übersicht werden kurz die Eigenschaften der verschiedenen Materialien gegenübergestellt.

Der spezifische Widerstand für undotierte Materialien liegt für Graphit bei einigen mΩcm, d. h. etwa bei 5 mΩcm, für Diamant ist er viel größer als 1 mΩcm, d. h. etwa im Bereich von 100 mΩcm bis 1000 mΩcm und für das erfindungsgemäße Material aus Kohlenstoff bei etwa 1 mΩcm. Somit weist das erfindungsgemäße Material aus Kohlenstoff einen um Größenordnungen geringeren spezifischen Widerstand auf als Diamant.

Der spezifische Widerstand für dotierte Materialien liegt für Graphit bei einigen μΩcm, d. h. etwa bei 5 μΩcm, für hochdotierten Diamant (10²⁰ bis 10²¹ pro cm³) bei einigen 1 mΩcm, d. h. etwa im Bereich von 5 mΩcm und für das erfindungsgemäße Material aus Kohlenstoff bei etwa 10 μΩcm bis 1 μΩcm, vorzugsweise bei etwa 1 μΩcm. Somit weist das erfindungsgemäße Material aus Kohlenstoff auch im dotierten Zustand einen um Größenordnungen geringeren spezifischen Widerstand auf als Diamant. Je nach Dotierung ist es sogar möglich, dass das erfindungsgemäße Material aus Kohlenstoff einen geringeren spezifischen Widerstand aufweist als Silber, welches einen spezifischen Widerstand von 1,6 μΩcm aufweist.

Die Rauhigkeit von Higly Oriented Pyrolitic Graphite (HOPG) ist kleiner als 1 nm, die von Diamant ist stark abhängig von der Mikrostruktur, d. h. der Korngröße und Orientierung, des Stresses, der Verunreinigungen und der Versetzungen innerhalb des Diamanten. Für das erfindungsgemäße Material aus Kohlenstoff liegt die Rauhigkeit zwischen 1 nm und 3 nm, insbesondere bei etwa 2 nm ± 0,3 nm. Die Rauhigkeit des erfindungsgemäßen Materials aus Kohlenstoff liegt zwischen HOPG und Diamant, wodurch es gut als Material für eine Oberflächenschicht einer Sondeneinheit für ein Rasterkraftmikroskop geeignet ist.

Die Korngröße von HOPG liegt bei etwa 10 μm und bei polykristallinen CVD Diamant, d. h. Diamant, welcher mittels chemischer vapour deposition erzeugt ist, bei einigen μm, d. h. etwa 5 μm. Die Korngröße des erfindungsgemäßen Materials aus Kohlenstoff beträgt zwischen 0,5 nm und 3 nm, insbesondere 1 nm bis 2 nm.

Die Härte von Graphit beträgt etwa 0,2 GPa und die für Diamant 10 GPa bis einige 100 GPa, d. h. bis etwa 500 GPa. Die Härte des erfindungsgemäßen Materials aus Kohlenstoff beträgt zwischen 2 GPa und 5 GPa, insbesondere etwa 6 GPa bis 7 GPa.

Die Elastizität von Graphit beträgt etwa 8 GPa und die für Diamant etwa 400 GPa bis 500 GPa. Die Elastizität des erfindungsgemäßen Materials aus Kohlenstoff beträgt zwischen 50 GPa und 150 GPa, insbesondere etwa 80 GPa und liegt somit zwischen der Elastizität von Graphit und Diamant.

Damit liegen die Eigenschaften der im Wesentlichen aus Kohlenstoff bestehenden Schicht einer Sondeneinheit im Allgemeinen zwischen den Eigenschaften, welche eine Sondeneinheit mit diamantbeschichteter Oberfläche aufweist und den Eigenschaften die eine Sondeneinheit aus einer Nanoröhre aus Kohlenstoff aufweist.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Die weiteren Ausgestaltungen der Erfindung, die im Zusammenhang mit einem der unabhängigen Ansprüche beschrieben sind, sind sinngemäß in wechselseitiger Weise auch als Ausgestaltungen der jeweils anderen unabhängigen Ansprüche zu verstehen.

Das Material der im Wesentlichen aus Kohlenstoff bestehenden Schicht kann eine polykristalline Kohlenstoffschicht sein.

Unter polykristalliner Kohlenstoffschicht wird in der Anmeldung eine Schicht verstanden, welche in Teilbereichen jeweils eine graphitähnliche Struktur aufweist. Es ist jedoch keine großflächige hexagonale Struktur ausgebildet. Die einzelnen Teilbereiche mit graphitähnlicher Struktur haben eine Größe, welche zu der Korngröße der polykristallinen Kohlenstoffschicht korrespondiert und etwa 1 nm bis 2 nm beträgt. Anschaulich sind die einzelnen Teilbereiche mit hexagonaler Graphitstruktur immer wieder durch Bereiche unterbrochen, in denen keine regelmäßige Graphitstruktur vorhanden ist oder in denen die hexagonalen Graphitstrukturen zumindest eine andere Ausrichtung aufweisen.

Anschaulich kann man die einzelnen Teilbereiche mit einer regelmäßigen Graphitstruktur als "kristalline" Bereiche auffassen. Somit weist der polykristalline Kohlenstoff eine Vielzahl von "kristallinen" Bereichen auf. Aus diesem Grunde wurde im Rahmen dieser Anmeldung der Begriff "polykristalliner Kohlenstoff" für das Material gewählt. Die einzelnen kristallinen Bereiche, d. h. die Graphitstrukturen, weisen im Allgemeinen eine Vorzugsrichtung auf, d. h. es bilden sich schichtähnliche Strukturen aus dem polykristallinen Kohlenstoff.

Bei Messungen hat sich herausgestellt, dass eine solche polykristalline Kohlenstoffschicht eine größere mechanische Härte als Graphit aufweist. Die mechanische Härte der polykristallinen Kohlenstoffschicht beträgt vorzugsweise zwischen 6 GPa bis 7 GPa, wohingegen die mechanische Härte von Graphit etwa 0,2 GPa beträgt. Auch ist der spezifische Widerstand insbesondere senkrecht zu den hexagonalen Strukturen gegenüber dem spezifischen Widerstand von Graphit senkrecht zu der Richtung der hexagonalen Schichten gesenkt. Während der spezifische Widerstand in der Ebene der hexagonalen Schichten bei dem polykristallinen Kohlenstoff gegenüber dem spezifischen Widerstand bei Graphit in etwa gleich hoch ist. Jedoch ist der spezifische Widerstand der polykristallinen Kohlenstoffschicht um etwa einen Faktor 100 größer als bei einer Diamantschicht. Somit kann man mittels eines einfach durchzuführenden Prozesses ein Material für eine Sondeneinheit erzeugen, welches eine ausreichende Härte bei gleichzeitig ausreichender spezifischen Leitfähigkeit kombiniert. Eine Sondeneinheit, welche zumindest mit einem solchen Material beschichtet ist, ist sehr gut für ein Rasterkraftmikroskop geeignet.

Die polykristalline Kohlenstoffschicht kann auch, wenn eine zusätzliche Senkung des spezifischen Widerstandes, d. h. eine Erhöhung der spezifischen Leitfähigkeit gewünscht wird, dotiert werden und/oder es kann eine so genannte Interkalierung vorgenommen werden. Als Dotiermittel sind alle üblichen Dotiermittel, wie zum Beispiel Bor, verwendbar. Zur Interkalierung ist beispielsweise Arsenfluorid (AsF₅) verwendbar. Mittels Durchführens einer Interkalierung mittels AsF₅ ist es möglich, einen spezifischen Widerstand der polykristallinen Kohlenstoffschicht zu erreichen, welcher ähnlich gering bis geringer als der von Silber ist. Silber weist einen spezifischen Widerstand von etwa 1,6 μΩcm auf während der spezifische Widerstand der polykristallinen Kohlenstoffschicht je nach Grad der Dotierung zwischen 1 μΩcm und 1000 μΩcm betragen kann.

In einer Weiterbildung ist das kohlenstoffhaltige Gas Methan, Äthan, Azetylen oder Alkoholdampf.

Diese kohlenstoffhaltigen Gase sind besonders geeignet, um in dem Verfahren zum Herstellen einer polykristallinen Kohlenstoffschicht verwendet zu werden.

Vorzugsweise beträgt bei dem Verfahren die Temperatur zwischen 900°Celsius und 970°Celsius, besonders bevorzugt 950°Celsius, und der Gesamtdruck der Wasserstoffatmosphäre 1 Hektopascal. Ferner wird beim Ausbilden der im Wesentlichen aus Kohlenstoff bestehenden Schicht vorzugsweise so viel kohlenstoffhaltiges Gas zugeführt, dass sich ein Gesamtdruck zwischen 500 Hektopascal und 700 Hektopascal, besonders bevorzugt 600 Hektopascal, einstellt.

Alternativ kann die Temperatur zwischen 750°Celsius und 850°Celsius, besonders bevorzugt 800°Celsius, und der Gesamtdruck der Wasserstoffatmosphäre zwischen 1 Hektopascal und 2 Hektopascal, besonders bevorzugt 1,5 Hektopascal, betragen. Beim Ausbilden der im Wesentlichen aus Kohlenstoff bestehenden Schicht kann so viel kohlenstoffhaltiges Gas zugeführt werden, dass sich ein Gesamtdruck zwischen 9 Hektopascal und 11 Hektopascal, besonders bevorzugt 10 Hektopascal, einstellt.

Unter diesen vorgegebenen Bedingungen ist eine Ausbildung einer Schicht aus einem Material, welches im Wesentlichen aus Kohlenstoff besteht und einen spezifischen Widerstand von weniger als 1 mΩcm und eine mechanische Härte zwischen 2 GPa und 9 GPa hat, besonders effektiv und auf einfache Weise durchführbar.

In einer Weiterbildung wird die Temperatur zumindest teilweise mittels einer Photonen-Heizung und/oder mittels Verwendens eines Plasmas aufrechterhalten.

Das Verwenden einer Photonen-Heizung, um zumindest einen Teil der Energie des Heizens auf die benötigte Temperatur bereitzustellen, ist vorteilhaft, da sich gezeigt hat, dass in diesem Fall die Temperatur im Verfahren gesenkt werden kann. Hierdurch wird beim Durchführen des Verfahrens eine geringere Energiezufuhr benötigt. Eine zusätzliche Möglichkeit die Temperatur abzusenken ist das Verwenden eines Plasmas. Wird ein solches Plasma verwendet so lässt sich insbesondere bei dem Verfahren, bei dem die Temperatur zwischen 900°Celisus und 970°Celsius liegt, die Temperatur deutlich senken, vorzugsweise auf eine Temperatur zwischen 600°Celsius und 800°Celsius.

Vorzugsweise beträgt die Härte der im Wesentlichen aus Kohlenstoff bestehenden Schicht zwischen 5 GPa und 8 GPa, besonders bevorzugt zwischen 6 GPa und 7 GPa.

Vorzugsweise ist an der Seite, welche der Spitze der Sondeneinheit entgegengesetzt ist, eine Oberfläche ausgebildet, welche aus dem gleichen Material wie die Oberflächenschicht der Sondeneinheit ausgebildet ist.

Anschaulich bedeutet dies, dass eine Sondeneinheit auf der Rückseite, d. h. der Seite, welche der Spitze der Sondeneinheit entgegengesetzt ist, eine Schicht ausgebildet hat, welche aus dem gleichen Material besteht, aus welchem zumindest die Oberfläche der Sondeneinheit ausgebildet ist. Die Schicht auf der Rückseite kann gleichzeitig, und damit ohne zusätzliche Prozessschritte, mit der Oberflächenschicht der Sondeneinheit ausgebildet werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass das Material eine hohe Reflektivität aufweist, welche höher als die von Graphit ist, wodurch eine hohe Reflektivität der Rückseite erzielt werden kann. Dies ist vorteilhaft bei der Einjustierung eines Rasterkraftmikroskops, welche Einjustierung üblicherweise mittels eines Lasers durchgeführt wird. Hierbei ist eine hohe Reflektivität der Sondeneinheit gewünscht, da dann eine gute Justierbarkeit erlangt wird. Ferner kann die polykristalline Kohlenstoffschicht auf der Rückseite der Sondeneinheit auch zu einer elektrischen Kontaktierung der Sondeneinheit verwendet werden, da die spezifische Leitfähigkeit der polykristallinen Kohlenstoffschicht, im Gegensatz zu einer Diamantschicht, ausreichend hoch ist.

Bei dem Verfahren zum Herstellen einer Sondeneinheit kann das Ausbilden der Oberflächenschicht, welche im Wesentlichen aus Kohlenstoff besteht, mittels zumindest teilweisen Auffüllens des Hohlraumes mit einem Kohlenstoffmaterial und nachfolgenden Freilegens der Oberflächenschicht mittels Entfernens des kristallinen Substrats durchgeführt werden.

Das teilweise Auffüllen des Hohlraumes mit polykristallinen Kohlenstoff ist eine besonders effektive Weise, eine Oberflächenschicht herzustellen. Hierbei wird der Hohlraum als Form für ein konformes Abscheiden der Oberflächenschicht verwendet. Erfindungsgemäß kommt es darauf an, dass zumindest eine Oberflächenschicht der Sondeneinheit aus dem Kohlenstoffmaterial erzeugt wird. Das Innere der Sondeneinheit kann aus anderen Materialien hergestellt sein. Es ist ausreichend, wenn die Oberfläche die gewünschten Eigenschaften des vorgegebenen spezifischen Widerstandes und Härte aufweist. Durch Verwenden des mittels nasschemisch isotropen Ätzens erzeugten Hohlraumes als Form für die Sondeneinheit kann auf einfache Weise eine Sondeneinheit mit einer Spitze hergestellt werden, welche Spitze eine geringe Abmessung von einigen Nanometern aufweist, anschaulich bedeutet dies eine spitze Spitze, d. h. eine Spitze mit einem kleinen Winkel, d. h. einem Winkel kleiner als 90 Grad, vorzugsweise einem Winkel kleiner 45 Grad, besonders bevorzugt einen Winkel kleiner als 30 Grad. Dies ist bei der Verwendung der Sondeneinheit bei einem Rasterkraftmikroskop vorteilhaft, da die Auflösung eines Rasterkraftmikroskops von den Abmessungen der Sondeneinheit abhängt. Die Abmessungen des Hohlraumes und damit der Sondeneinheit lassen sich mittels der Zeitdauer des Ätzvorgangs steuern. Je länger der Ätzvorgang durchgeführt wird, desto größer wird der Hohlraum und damit auch die Sondeneinheit, für deren Ausbildung der Hohlraum als Form verwendet wird.

Vorzugsweise wird das kristalline Substrat mittels Ätzens entfernt.

Das Ätzen ist eine einfache Weise das kristalline Substrat zu entfernen, nachdem die Oberflächenschicht aus dem Kohlenstoffmaterial ausgebildet wurde. Verwendet werden können hierbei eine Vielzahl von bekannten Ätzmitteln, welche kristallines Silizium selektiv zu einer Kohlenstoffschicht ätzen. Beispielsweise kann eine nasschemische Ätzung mittels Kaliumhydroxid (KOH) durchgeführt werden.

In einem alternativen Verfahren kann das Ausbilden der Oberflächenschicht, welche im Wesentlichen aus Kohlenstoff besteht, folgende Teilschritte aufweisen. Ausbilden einer Sondeneinheit mittels Auffüllens des Hohlraumes, Freilegen der Sondeneinheit mittels Entfernens des kristallinen Substrats und Ausbilden der Oberflächenschicht, welche im Wesentlichen aus Kohlenstoff besteht, auf der Sondeneinheit.

Bei dem alternativen Verfahren wird der Hohlraum als Form zum Ausbilden einer Sondeneinheit verwendet. Nachdem die Sondeneinheit ausgebildet wurde, wird sie freigelegt und auf der freigelegten Sondeneinheit eine Oberflächenschicht aus einem Material ausgebildet, welches im Wesentlichen aus Kohlenstoff besteht. Auch bei dem alternativen Verfahren wird zumindest eine Oberflächenschicht der Sondeneinheit aus dem Material hergestellt, welches im Wesentlichen aus Kohlenstoff besteht.

Das isotrope Ätzen kann mittels nasschemische Ätzens oder mittels einer Trockenätzung mit starker chemischer Komponente durchgeführt werden.

Mittels dieser Ätzverfahren ist es auf einfache Weise möglich, einen pyramidenförmigen oder kegelförmigen Hohlraum in dem kristallinen Substrat auszubilden. Die Form ergibt sich dadurch, dass die Ätzraten in einem kristallinen Substrat von der Kristallrichtung abhängig sind. Bevorzugt, d. h. mit einer größeren Ätzrate, findet die Ätzung in der <100>-Richtung des Kristalls statt, wobei die Richtung in der Millerschen Nomenklatur angegeben ist.

In einer Weiterbildung hat die im Wesentlichen aus Kohlenstoff bestehende Schicht einen spezifischen Widerstand von weniger als 10 μΩcm.

Eine solche Schicht ist insbesondere für eine Sondeneinheit geeignet, welche in der so genannten dynamischen Rasterkraftmikroskopie verwendet wird, welche auf der Nichtlinearität des Wechselwirkungspotentials zwischen Sondeneinheit und der Probenoberfläche basiert.

Eine Schicht mit einem spezifischen Widerstand von weniger als 10 μΩcm lässt sich auf einfache Weise erzeugen, indem die im Wesentlichen aus Kohlenstoff bestehende Schicht dotiert und/oder interkaliert wird. Zum Dotieren eignen sich alle gängigen Dotierstoffe, wie zum Beispiel Arsen oder Bor.

Zusammenfassend kann ein Aspekt der Erfindung darin gesehen werden, dass mittels der Erfindung eine Sondeneinheit geschaffen wird, welche zumindest in einem Oberflächenbereich der Sondeneinheit eine polykristalline Kohlenstoffschicht aufweist. Die mit einer polykristallinen Kohlenstoffschicht beschichtete Sondeneinheit, weist gegenüber einer herkömmlichen diamantbeschichteten Sondeneinheit den Vorteil auf, dass die spezifische Leitfähigkeit der polykristallinen Kohlenstoffschicht um mindestens den Faktor 100 erhöht ist, d. h. der spezifische Widerstand um mindestens einen Faktor 100 gesenkt ist. Hierdurch ist die erfindungsgemäße Sondeneinheit mit einer polykristallinen Kohlenstoffschicht insbesondere für den Oberflächenbereich einer Sondeneinheit eines Rasterkraftmikroskops, insbesondere für die dynamische Rasterkraftmikroskopie, geeignet. Ferner gelingt es auch mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Sondeneinheit besonders einfach herzustellen, d. h. das erfindungsgemäße Verfahren ist wesentlich einfacher durchzuführen als das Beschichten mit einer Diamantschicht. Die Härte der polykristallinen Kohlenstoffschicht ist hierbei ausreichend für die Verwendung als Oberfläche einer Sondeneinheit. Wird auch noch die Rückseite der Sondeneinheit mit einer polykristallinen Kohlenstoffschicht beschichtet, so ergibt sich der zusätzliche Vorteil der guten Reflektivität der polykristallinen Kohlenstoffschicht und damit der Rückseite der Sondeneinheit, wodurch eine Einjustierung der Sondeneinheit eines Rasterkraftmikroskops mittels Lasers vereinfacht wird.

Die Sondeneinheit lässt sich einfach und kostengünstig herstellen. Ferner ist es mittels des vorgestellten Verfahrens möglich die Vorderseite der Sondeneinheit, d. h. die Spitze der Sondeneinheit, als scharfe Spitze auszubilden, d. h. eine spitz zulaufende Spitze auszubilden, bei gleichzeitig hoher mechanischen Stabilität. Ferner weist die polykristalline Kohlenstoffschicht eine spezifische elektrische Leitfähigkeit auf, welche um Größenordnungen höher ist als bei einer dotierten Diamantschicht, wodurch die polykristalline Kohlenstoffschicht für eine elektrische Kontaktierung verwendet werden kann. Die polykristalline Kohlenstoffschicht kann auch verwendet werden, um siliziumbasierte Sondeneinheiten oder Diamantspitzen, welche mittels herkömmlicher Verfahren hergestellt sind, zu verbessern. Die Verbesserung kann erreicht werden, indem die herkömmliche Sondeneinheit mit einer Schicht aus polykristallinen Kohlenstoff überzogen wird.

Mit einer erfindungsgemäßen Sondeneinheit ist sowohl die konventionelle Kontaktbetriebsart, als auch dynamische Rasterkraftmikroskopie basierend auf der Nichtlinearität des Wechselwirkungspotentials zwischen Sondeneinheit und der Probenoberfläche möglich, da die erfindungsgemäße Sondeneinheit sowohl eine ausreichende Härte für die Kontaktbetriebsart, als auch eine ausreichende Leitfähigkeit für die dynamische Rasterkraftmikroskopie aufweist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in den Figuren dargestellt und werden im Weiteren näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Schnittansicht einer Schichtanordnung nach ersten Teilschritten eines Verfahrens gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, welche dem Ausbilden eines Loches dienen;
2 eine schematische Schnittansicht einer Schichtanordnung nach zusätzlichen Teilschritten des Verfahrens gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, welche dem Ausbilden eines pyramidenförmigen oder kegelförmigen Hohlraums dienen;
3 eine schematische Schnittansicht einer Schichtanordnung nach zusätzlichen Teilschritten des Verfahrens gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, welche dem Füllen des pyramidenförmigen Hohlraums dienen;
4 eine schematische Schnittansicht einer Schichtanordnung nach zusätzlichen Teilschritten des Verfahrens gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, welche einem Freilegen der Sondeneinheit dienen;
5 eine schematische Schnittansicht einer Schichtanordnung, nach Teilschritten eines Verfahrens gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, welche dem Auffüllen eines pyramidenförmigen Hohlraumes dienen;
6 eine schematische Schnittansicht einer Schichtanordnung nach zusätzlichen Teilschritten des Verfahrens gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel, welche einem Freilegen der Sondeneinheit dienen;
7 eine schematische Schnittansicht einer Schichtanordnung nach zusätzlichen Teilschritten des Verfahrens gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel, welche dem Ausbilden einer Oberflächenschicht aus polykristallinem Kohlenstoff dienen;
8 eine Transmissions-Elektronsmikroskopie-Aufnahme eines mittels nasschemischen Ätzens einer kristallinen Siliziumschicht hergestellten pyramidenförmigen Hohlraumes; und
9 eine Transmissions-Elektronsmikroskopie-Aufnahme einer polykristallinen Kohlenstoffschicht, welche in einem schmalen Loch ausgebildet wurde.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Schichtanordnung 100 nach ersten Teilschritten eines Verfahrens gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel zum Herstellen einer Sondeneinheit.
Auf einem Substrat 101 aus kristallinem Silizium wird eine dünne Maskenschicht 102 ausgebildet. Die Dicke der Maskenschicht 102 beträgt etwa 20 nm und das Material kann Siliziumoxid sein. Als Materialien für die Maskenschicht sind alle Materialien geeignet, welche bei einem nasschemischen Ätzen, beispielsweise mittels Kaliumhydroxid (KOH), eine gute Selektivität aufweisen, beispielsweise auch Siliziumnitrid. Auf der Maskenschicht 102 wird eine Photolackschicht 103 ausgebildet, welche nachfolgend mittels konventioneller Lithographie belichtet und entwickelt wird. Die Photolackschicht 103 wird verwendet, um die Maskenschicht 102 loch- bzw. punktförmig zu strukturieren, d. h. es wird ein punktförmiges Loch 104 in der Photolackschicht 103 und der Maskenschicht 102 ausgebildet und im Bereich des Loches 104 das Substrat 101 aus kristallinem Silizium freigelegt. Die Strukturierung erfolgt, abhängig vom Material der Maskenschicht 102, mittels eines geeigneten Ätzmittels.
Unter Bezugnahme auf die 2 werden Teilschritte des Verfahrens gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert, welche einem Ausbilden eines Hohlraumes dienen.
Die Schichtenfolge 100 der 1 wird mittels eines nasschemischen Verfahrens anisotrop geätzt. Die Ätzung kann zum Beispiel bei Raumtemperatur mittels Cholin durchgeführt werden. Bei dem Nassätzen entsteht eine pyramidenförmige Struktur innerhalb des Substrats aus kristallinem Silizium 101, d. h. es wird ein pyramidenförmiger Hohlraum 205 innerhalb des Siliziumsubstrats 101 ausgebildet. Es ist auch möglich einen kegelförmigen Hohlraum 205 zu erzeugen. Die Pyramidenform oder Kegelform ergibt sich daraus, dass die Ätzung in unterschiedliche Richtungen des Kristallgitters des kristallinen Siliziums unterschiedlich stark wirkt. Bei einer isotropen Ätzung findet die Ätzung bevorzugt in der <100>-Richtung des kristallinen Siliziums statt. Alternativ zum nasschemischen Ätzen kann auch eine isotrope Trockenätzung durchgeführt werden, um den pyramidenförmigen Hohlraum auszubilden. Hierzu ist es nötig, eine Trockenätzung mit einer starken chemischen Komponente zu verwenden.
Über die Zeitdauer des Ätzens wird die Größe des pyramidenförmigen Hohlraumes 205 eingestellt. Je länger geätzt wird, desto größer wird der pyramidenförmige Hohlraum 205 und nachfolgend die Sondeneinheit zu deren Ausbildung der pyramidenförmige Hohlraum als Form verwendet wird. Nach dem Ausbilden des pyramidenförmigen Hohlraums 205 wird die Photolackschicht 103 mittels eines herkömmlichen Verfahrens entfernt. Mit den oben beschriebenen Teilschritten ist die Ausbildung des pyramidenförmigen Hohlraumes, welcher auch als kegelförmiger Hohlraum ausgebildet werden kann, abgeschlossen.
Nachfolgend wird der pyramidenförmige Hohlraum 205 mittels eines Prozesses des konformen Abscheidens mit polykristallinem Kohlenstoff aufgefüllt, wie es in der schematischen Schichtanordnung von 3 gezeigt ist. Das Auffüllen erfolgt hierbei durch die Öffnung 104 der Maskenschicht 102. Zum Ausbilden der polykristallinen Kohlenstoffschicht können verschiedene Prozesse verwendet werden. Unter einer polykristallinen Kohlenstoffschicht wird eine Schicht verstanden, welche im Wesentlichen aus Kohlenstoff besteht und welche in Teilbereichen eine Graphitstruktur, d. h. eine hexagonale Gitterstruktur, welche als kristallin aufgefasst werden kann, aufweist. Die einzelnen "kristallinen" Teilbereiche mit hexagonalen Strukturen sind jedoch durch Bereiche getrennt, welche keine hexagonalen Gitterstrukturen aufweisen, oder zumindest durch hexagonale Gitterstrukturen getrennt, welche eine zu den benachbarten "kristallinen" Teilbereichen verschieden angeordnete Ausrichtung aufweisen.
Bei einem ersten Prozess wird bei einer Temperatur zwischen 900°Celsius und 970°Celsius, vorzugsweise 950°Celsius, eine Wasserstoffatmosphäre mit einem Druck von 0,001 bar, oder 1 Hektopascal, erzeugt. Anschließend wird ein kohlenstoffhaltiges Gas beispielsweise Methan (CH₄) oder Azetylen (C₂H₄) eingeleitet, bis sich ein Gesamtdruck von etwa 0,6 bar, oder 600 Hektopascal, einstellt. Bei diesen Bedingungen scheidet sich eine polykristalline Kohlenstoffschicht auf der Oberfläche des kristallinen Siliziums, welche den pyramidenförmigen Hohlraum 205 umgibt ab. Vorzugsweise wird das kohlenstoffhaltige Gas während des Abscheideprozesses ständig eingeleitet, so dass der Gesamtdruck im Wesentlichen konstant bleibt.
Bei einem zweiten Prozess zum Erzeugen einer polykristallinen Kohlenstoffschicht wird bei einer Temperatur von etwa 200°Celsius eine Wasserstoffatmosphäre von etwa 2 Torr bis 3 Torr, vorzugsweise 2,5 Torr, was etwa 3,33 Hektopascal entspricht, erzeugt. Gleichzeitig zum Heizen mittels eines normalen Ofens wird ein so genannter Photonen-Ofen verwendet, d. h. eine Lichtquelle, welche zusätzlich Energie zur Verfügung stellt. Hierdurch lässt sich die Temperatur gegenüber dem oben beschriebenen Verfahren senken, was je nach Anwendungsgebiet vorteilhaft sein kann. In die Wasserstoffatmosphäre wird anschließend wiederum ein kohlenstoffhaltiges Gas beispielsweise Methan (CH₄), Azetylen (C₂H₄) oder Alkoholdampf, vorzugsweise Äthanoldampf (C₂H₅OH), eingeleitet, bis ein Gesamtdruck zwischen 6,5 Torr und 8,5 Torr, vorzugsweise 7,5 Torr, was etwa 10 Hektopascal entspricht, erreicht ist. Auch bei diesen Bedingungen scheidet sich eine polykristalline Kohlenstoffschicht ab. Auch in diesem Prozess wird das Kohlenstoffhaltige Gas vorzugsweise ständig eingeleitet, solange die konforme Abscheidung durchgeführt wird.
Die polykristalline Kohlenstoffschicht scheidet sich innerhalb des pyramidenförmigen Hohlraumes 205 der Schichtanordnung 100 ab und füllt diesen schichtweise auf, d. h. es scheidet sich schichtweise der polykristalline Kohlenstoff ab. Hierbei wird innerhalb des pyramidenförmigen Hohlraumes 205 in dem Siliziumsubstrat 101 eine Sondeneinheit 306 aus polykristallinem Kohlenstoff ausgebildet. Die Dicke der polykristallinen Kohlenstoffschicht lässt sich durch die Zeitdauer des Prozesses des konformen Abscheidens einstellen. Erfindungsgemäß wird zumindest eine Schicht aus polykristallinen Kohlenstoff von einer Dicke abgeschieden, welche eine ausreichende Leitfähigkeit sicherstellt. Erfindungsgemäß kann auch der gesamte pyramidenförmige Hohlraum 205 ausgefüllt werden, wie es beispielsweise in 3 dargestellt ist. Wenn der gesamte pyramidenförmige Hohlraum 205 ausgefüllt wird, kommt es im Allgemeinen dazu, dass das Loch 104 in der Maskenschicht 103 geschlossen wird, bevor der pyramidenförmige Hohlraum 205 ganz mit dem polykristallinen Kohlenstoff gefüllt ist. Es ist jedoch leicht möglich Teile des polykristallinen Kohlenstoffes in dem Loch 104 der Maskenschicht 103 wieder zu entfernen und so das Loch 104 wieder zu öffnen, um es zu ermöglichen, dass in dem pyramidenförmigen Hohlraum 205 weiter polykristallinen Kohlenstoff abgeschieden werden kann. Das Öffnen des Loches 104 kann beispielsweise mittels Wasserstoff- oder Sauerstoffplasmas durchgeführt werden. Das Öffnen ist jedoch nicht nasschemisch durchzuführen.
Gleichzeitig zu dem Auffüllen des pyramidenförmigen Hohlraumes 205 wird auch auf der Maskenschicht 103 eine polykristalline Kohlenstoffschicht 307 ausgebildet. Durch die polykristalline Kohlenstoffschicht 307 ist es möglich die Sondeneinheit 306 elektrisch zu kontaktieren. Weiterhin kann die polykristalline Kohlenstoffschicht 307 Vorteilhafterweis für die Einjustierung der Sondeneinheit innerhalb eines Rasterkraftmikroskops verwendet werden. Die polykristalline Kohlenstoffschicht 307 weist eine hohe Reflektivität auf, wodurch die Einjustierung, welche üblicherweise mittels eines Lasers durchgeführt wird, erleichtert wird.
Wenn nur eine dünne Schicht aus polykristallinem Kohlenstoff abgeschieden wird, kann der Zentralbereich des pyramidenförmigen Hohlraumes 205 mittels üblichen Verfahren mit einem anderen geeigneten Material gefüllt werden. Alternativ kann auch ein Teil des pyramidenförmigen Hohlraumes 205 ungefüllt bleiben.
In 4 ist die Schichtanordnung 100 der 3 nach weiteren Teilschritten zum Freilegen der Sondeneinheit 306 aus polykristallinem Kohlenstoff gezeigt. Das Freilegen der Sondeneinheit 306 kann mittels nasschemischen Ätzens, welches selektiv zu Kohlenstoff ist, durchgeführt werden. Als Ätzmittel eignet sich hierfür beispielsweise Kaliumhydroxid (KOH). Mittels des nasschemischen Ätzschrittes wird das kristalline Silizium des Substrats 101 entfernt, wodurch die Sondeneinheit 306 freigelegt wird.
Erfindungsgemäß reicht es aus, wenn zumindest die Oberfläche der Sondeneinheit mit dem polykristallinen Kohlenstoff bedeckt ist. Somit ist es auch möglich eine Sondeneinheit mittels eines alternativen Verfahrens herzustellen, welches anhand der folgenden Figuren erläutert wird, wobei die ersten Teilschritte den Teilschritten in den 1 und 2 entsprechen. D. h. es wird eine Maskenschicht, welche auf einem Substrat aus kristallinem Silizium ausgebildet wird, unter Verwendung einer Photolackschicht so strukturiert, dass ein Loch ausgebildet wird. Nachfolgend wird die Photolackschicht entfernt und die unterhalb der Maskenschicht angeordnete kristalline Siliziumschicht nasschemisch isotrop geätzt, sodass ein pyramidenförmiger oder kegelförmiger Hohlraum entsteht.
5 zeigt eine Schichtanordnung 500 gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel, wobei bei der Erläuterung des alternativen Ausführungsbeispiels von der Schichtanordnung wie sie in 2 dargestellt ist, ausgegangen wird.
Nach Ausbildung eines pyramidenförmigen Hohlraumes 505 mittels nasschemischen isotropen Ätzens in einem kristallinen Siliziumsubstrat 501 und der anschließenden Entfernung einer Photolackschicht, wird durch ein Loch 504 in einer Maskenschicht 502 hindurch der pyramidenförmige Hohlraum 505 gefüllt. Dies kann beispielsweise mittels Chemical Vapour Deposition (CVD) geschehen. Als Materialien eignen sich alle Materialien, welche sich selektiv zu kristallinem Silizium ätzen lassen und auf welchen die polykristalline Kohlenstoffschicht haftet, beispielsweise Siliziumoxid, Silizium, Polysilizium oder Siliziumnitrid (Si₃N₄). Beim Füllen des pyramidenförmigen Hohlraumes 505 wird genauso vorgegangen wie unter Bezug auf 3 erläutert, d. h. wenn das Loch 504 durch das abgeschiedene Material verschlossen ist, wird das Loch 504 mittels Ätzens wieder geöffnet. Das Abscheiden wird im Allgemeinen so lange durchgeführt bis der pyramidenförmige Hohlraum 505 völlig gefüllt ist. Das Abscheiden kann jedoch auch vorzeitig abgebrochen werden, so dass der Hohlraum 505 nicht vollständig gefüllt wird.
Nachfolgend wird das Material des Substrats, d. h. die kristalline Siliziumschicht, mittels Ätzens entfernt, wodurch, wie in 6 gezeigt, die Sondeneinheit 606 freigelegt wird. Nachfolgend wird in einem zusätzlichen Verfahrensschritt die Sondeneinheit 606 mit polykristallinen Kohlenstoff 607 überzogen, d. h. die Oberfläche der Sondeneinheit, welche beispielsweise aus Siliziumoxid besteht, wird mit einer Schicht aus polykristallinem Kohlenstoff 607 beschichtet. Hierzu können die gleichen Prozesse, wie sie unter Bezug auf 3 beschrieben wurden, verwendet werden. Mittels dieser Prozesse lässt sich die Sondeneinheit 606 und die Maskenschicht, wie in 7 gezeigt mit einer dünnen Schicht aus polykristallinem Kohlenstoff 607 bedecken, wodurch eine leitende Schicht ausgebildet wird, welche für die Sondeneinheit 606 eines Rasterkraftmikroskops benötigt wird. In 7 ist wiederum auch die Rückseite der Sondeneinheit mit einer polykristallinen Kohlenstoffschicht 708 überzogen, welches wiederum eine gute Reflektivität sicherstellt, wodurch ein Einstellen der Sondeneinheit beim Verwenden in einem Rasterkraftmikroskop mittels eines Lasers erleichtert wird. Ferner kann diese Schicht auf der Rückseite verwendet werden, um die Sondeneinheit elektrisch zu kontaktieren.
8 zeigt eine Transmissions-Elektronenmikroskopie-Aufnahme (REM-Aufnahme) eines pyramidenförmigen Hohlraumes 805, welcher durch nasschemisches Ätzen in einem Substrat aus kristallinem Silizium 801 ausgebildet wurde. Die Pyramidenform des Hohlraumes bildet sich durch die Abhängigkeit der Ätzgeschwindigkeit von der Kristallrichtung des kristallinen Siliziums. Die Ätzung findet bevorzugt entlang der <100>-Richtung im Kristall statt, d. h. es ist möglich einen pyramidenförmigen Hohlraum zu erhalten, wenn die Kristallrichtung des kristallinen Siliziums entsprechend zu dem Loch 804, durch welches das kristalline Silizium 801 geätzt wird, ausgerichtet ist. Die angegebene Richtung <100> ist hierbei gemäß der Millerschen Nomenklatur angegeben.
Anhand der REM-Aufnahme, welche in 9 gezeigt ist, kann man erkennen, dass es mittels der erfindungsgemäßen Verfahren möglich ist, schmale Löcher 904 und Hohlräume in einer Siliziumschicht 901 mit einer polykristallinen Kohlenstoffschicht 907 zu füllen. Das dargestellte Loch besitzt einen Durchmesser, welcher an der Basis etwa 50 nm und an der Spitze noch einige wenige Nanometer beträgt. Das Loch wurde mittels eines der oben beschriebenen Verfahren zum Ausbilden einer polykristallinen Kohlenstoffschicht gefüllt. Andeutungsweise lassen sich in der REM-Aufnahme auf verschiedene Bereiche in der Kohlenstoffschicht erkennen, welche den einzelnen kristallinen Bereichen der polykristallinen Kohlenstoffschicht entsprechen. Diese sind in der REM-Aufnahme etwas dunkler als der umgebende Kohlenstoff.
Zusammenfassend kann ein Aspekt der Erfindung darin gesehen werden, ein Verfahren zum Herstellen einer polykristallinen Kohlenstoffschicht zu schaffen. Die Eigenschaften, insbesondere die spezifische Leitfähigkeit, d. h. der spezifische Widerstand, und die Härte, machen die polykristalline Kohlenstoffschicht besonders geeignet für das Verwenden als Oberflächenschicht einer Sondeneinheit, wie sie beispielsweise bei einem Rasterkraftmikroskop eingesetzt wird. Das Verfahren zum Herstellen der polykristallinen Kohlenstoffschicht basiert auf einfachen und gebräuchlichen Prozessschritten. Der polykristalline Kohlenstoff liegt mit seiner spezifischen Leitfähigkeit und seiner Härte zwischen denen einer Diamantschicht und denen einer Graphitschicht. Ferner ist es möglich die spezifische Leitfähigkeit des polykristallinen Kohlenstoffs weiter zu erhöhen, indem eine Dotierung und/oder eine so genannte Interkalierung des polykristallinen Kohlenstoff durchgeführt wird.

100: Schichtanordnung
101: Substrat aus kristallinen Silizium
102: Maskenschicht
103: Photolackschicht
104: punktförmiges Loch
205: pyramidenförmiger Hohlraum
306: Sondenspitze
307: Rückseite mit Schicht aus polykristallinen Kohlenstoff
500: Schichtanordnung
501: Substrat aus kristallinen Silizium
502: Maskenschicht
506: Sondenspitze
707: polykristalliner Kohlenstoff
708: polykristalline Kohlenstoffschicht über Sondenspitze
801: Substrat aus kristallinen Silizium
804: punktförmiges Loch
805: pyramidenförmiger Hohlraum
809: Oberfläche des Substrats
901: Substrat aus kristallinen Silizium
904: punktförmiges Loch
907: polykristalliner Kohlenstoff

Claims

Verfahren zum Herstellen einer im Wesentlichen aus Kohlenstoff bestehenden Schicht, welche einen spezifischen Widerstand von weniger als 1 mΩcm und eine Härte zwischen 2 GPa und 9 GPa aufweist, bei dem auf einer Oberfläche eines Substrats in einer Wasserstoffatmosphäre mit einem Gesamtdruck zwischen 1 Hektopascal und 4 Hektopascal und bei einer Temperatur zwischen 600°Celsius und 1000°Celsius eine im Wesentlichen aus Kohlenstoff bestehende Schicht mittels Zuführens eines kohlenstoffhaltigen Gases ausgebildet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die im Wesentlichen aus Kohlenstoff bestehende Schicht eine polykristalline Kohlenstoffschicht ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem das kohlenstoffhaltige Gas Methan, Äthan, Azetylen oder Alkoholdampf ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Temperatur zwischen 900°Celsius und 970°Celsius, der Gesamtdruck der Wasserstoffatmosphäre 1 Hektopascal beträgt und beim Ausbilden der im Wesentlichen aus Kohlenstoff bestehenden Schicht so viel kohlenstoffhaltiges Gas zugeführt wird, dass sich ein Gesamtdruck zwischen 500 Hektopascal und 700 Hektopascal einstellt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Temperatur zwischen 750°Celsius und 850°Celsius, der Gesamtdruck der Wasserstoffatmosphäre 1,5 Hektopascal beträgt und beim Ausbilden der im Wesentlichen aus Kohlenstoff bestehenden Schicht so viel kohlenstoffhaltiges Gas zugeführt wird, dass sich ein Gesamtdruck zwischen 9 Hektopascal und 11 Hektopascal einstellt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Temperatur zumindest teilweise mittels einer Photonen-Heizung und/oder mittels Verwendens eines Plasmas aufrechterhalten wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Härte der im Wesentlichen aus Kohlenstoff bestehenden Schicht zwischen 5 GPa und 8 GPa beträgt.
Sondeneinheit zum Verwenden in einem Rasterkraftmikroskop, welche zumindest eine Oberflächenschicht aufweist, welche aus einem Material ist, welches im Wesentlichen aus Kohlenstoff besteht, wobei das Material der Oberflächenschicht einen spezifischen Widerstand von weniger als 1 mΩcm und eine Härte zwischen 2 GPa und 9 GPa aufweist.
Sondeneinheit gemäß Anspruch 8, bei der das Material polykristalliner Kohlenstoff ist.
Sondeneinheit, gemäß Anspruch 8 oder 9, bei der an der Seite, welche der Spitze der Sondeneinheit gegenüberliegt, eine Oberfläche ausgebildet ist, welche aus dem gleichen Material ausgebildet ist, aus welchem die Oberflächenschicht der Sondeneinheit ist.
Rasterkraftmikroskop, welches eine Sondeneinheit gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10 aufweist.
Verfahren zum Herstellen einer Sondeneinheit, bei dem auf einem kristallinen Substrat eine strukturierte Maskenschicht ausgebildet wird; bei dem unter Verwendung der strukturierten Maskenschicht mittels isotropen Ätzens des kristallinen Substrats in dem kristallinen Substrat ein eine Spitze aufweisender Hohlraum ausgebildet wird; bei dem unter Verwendung des Hohlraumes eine Sondeneinheit ausgebildet wird, wobei auf der Sondeneinheit zumindest eine Oberflächenschicht aus einem Material ausgebildet wird, welches im Wesentlichen aus Kohlenstoff besteht und einen spezifischen Widerstand von weniger als 1 mΩcm und eine Härte zwischen 2 GPa und 9 GPa aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 12, bei dem das Material polykristalliner Kohlenstoff ist.
Verfahren gemäß Anspruch 12 oder 13, bei dem das Ausbilden der Oberflächenschicht in einer Wasserstoffatmosphäre mit einem Gesamtdruck zwischen 1 Hektopascal und 4 Hektopascal und unter Verwendung eines kohlenstoffhaltigen Gases durchgeführt wird.
verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14, bei dem das kohlenstoffhaltige Gas Methan, Äthan, Azetylen oder Alkoholdampf ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 15, bei dem die Temperatur beim Ausbilden der Oberflächenschicht zwischen 600°Celsius und 1000°Celsius liegt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 16, bei dem der Gesamtdruck beim Ausbilden der Oberflächenschicht zwischen 200 Hektopascal und 700 Hektopascal liegt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 17, bei dem das Ausbilden der Oberflächenschicht, welche im Wesentlichen aus Kohlenstoff besteht, mittels zumindest teilweisen Auffüllens des Hohlraumes mit einem Kohlenstoffmaterial und nachfolgenden Freilegens der Oberflächenschicht mittels Entfernens des kristallinen Substrats durchgeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 18, bei dem das Entfernen des kristallinen Substrats mittels Ätzens durchgeführt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 17, bei dem das Ausbilden der Oberflächenschicht, welche im Wesentlichen aus Kohlenstoff besteht, folgende Teilschritte aufweist: Ausbilden einer Sondeneinheit mittels Auffüllens des Hochlraumes; Freilegens der Sondeneinheit mittels Entfernens des kristallinen Substrats; und Ausbilden der Oberflächenschicht, welche im Wesentlichen aus Kohlenstoff besteht, auf der Sondeneinheit.
Verfahren gemäß einen der Ansprüche 12 bis 20, bei dem an der Seite, welche der Spitze der Sondeneinheit gegenüberliegt, eine Oberfläche ausgebildet wird, welche aus dem gleichen Material ausgebildet ist, wie die Oberflächenschicht.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 21, bei dem das isotrope Ätzen mittels nasschemischen Ätzens oder mittels einer Trockenätzung mit starker chemischer Komponente durchgeführt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 22, bei dem die im Wesentlichen aus Kohlenstoff bestehende Schicht einen spezifischen Widerstand von weniger als 10 μΩcm hat.