DE102004032451A1

DE102004032451A1 - Strukturen aus Nanoclustern und Vorrichtung und Verfahren zum Herstellen derselben

Info

Publication number: DE102004032451A1
Application number: DE200410032451
Authority: DE
Inventors: Bernd Dr. Burchard; Ivo Dr. Rangelow; Jan Dr. Meijer; Hartmut Dr. Wiggers
Original assignee: Diatronic Ges fur Diaman GmbH; Diatronic Gesellschaft fur Diamant- und Hochtemperatur-Elektronik GmbH
Current assignee: BURCHARD, BERND, DR., DE
Priority date: 2004-07-05
Filing date: 2004-07-05
Publication date: 2006-01-26
Anticipated expiration: 2024-07-06
Also published as: DE102004032451B4

Abstract

Nanocluster sind Zusammenballungen von 10 bis typischerweise mehreren 100000 Atomen oder Molekülen typischerweise einer Sorte. Für die Herstellung komplexer Strukturen, bestehend aus solchen Nanoclustern, ist eine Vorrichtung zu deren clusterweisen Handhabung notwendig. Die Vorrichtung gliedert sich in die drei Hauptkomponenten Nanoclusterquelle (42), Nanoclusterstrahlformung und -aufbereitung (43) und Positioniereinrichtung (44). Die Nanoclusterquelle (42) unterteilt sich in Clustersyntheseeinrichtung, Clustermassenspektrometer und Clusterextraktionsoptik. Kern der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Kombination aus Positioniereinrichtung (44) auf Basis einer durchbohrten AFM-Spitze und der Nanopartikelquelle (42). Des Weiteren umfasst die Erfindung die herstellbaren Nanoclusterstrukturen und die Verfahren zur Herstellung derselben.

Description

Einleitung
Nanocluster sind Zusammenballungen von 10 bis typischerweise mehreren 100000 Atomen oder Molekülen typischerweise einer Sorte. Insofern stehen Nanocluster zwischen dem Festkörper bzw. der Flüssigkeit und dem einzelnen Molekül bzw. Atom. Für die Herstellung komplexer Strukturen bestehend aus solchen Nanoclustern ist eine Vorrichtung zu deren clusterweisen Handhabung notwendig. Diese Vorrichtung muss in der Lage sein, die freien Nanocluster auf einem Substrat bzw. einer Werkstückoberfläche zu platzieren und ggf. zu größeren geordneten insbesondere gemischten Strukturen anzuordnen. Des Weiteren muss diese Vorrichtung über eine Komponente verfügen, die entweder die Erzeugung einzelner Nanocluster oder alternativ die Vereinzelung von vorgefertigten Nanoclustern ermöglicht.

Eine solche Technologie der Einzelplatzierung einzelner Cluster in vordefinierter Weise ist zurzeit nicht verfügbar. Allenfalls können mit Hilfe von modifizierten AFMs Nanocluster auf einer Oberfläche nach erfolgter, stochastisch verteilter Platzierung verschoben werden. Eine Strukturierte Platzierung ist zurzeit des Weiteren noch stochastisch mit Hilfe von Masken möglich, die zuvor auf dem Substrat bzw. Werkstück abgeschieden wurden.

Eine weitere alternative Technologie, die zur lokal begrenzten Deposition von Strukturen gleicher Größenordnung geeignet ist die Dip-Pen-Nanolithographie. (Wang, X. et al., Langmuir (2003) Vol.19, No.21, p.8951; Seunghun Hong, Chad A. Mirkin, "A Nanoplotter with Both Parallel and Serial Writing Capabilities" (2000) Science 288, 5472, 1808 – 1811.) Bei dieser wird mit Hilfe einer AFM-Nadel aus einer Flüssigkeit eine lokal polymerisierte Linie abgeschieden.

In einer anderen Veröffentlichung (X. Wang , K. Ryu, and C. Liu, "Scanning Probe with Elastomeric (PDMS) Tip for Tip-Based Microcontact Printing ", The 12th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems, Boston, MA, 8-12 June 2003) wird ein kleiner Tintentropfen, der an der Spitze einer AFM-Spitze durch Benetzung hängt platziert. Insbesondere ist die Platzierung von metallischen Nanoclustern oder die Mischung verschiedener insbesondere nicht polymerisierender Nanocluster nicht möglich. Auch werden die Nanocluster als solche selbst nicht funktionalisiert, sondern lediglich als Bausteine für größere Strukturen aus einer Materialsorte eingesetzt. Als Reservoir dient die Oberfläche der Spitze selbst. Die als Tinte benutzte Flüssigkeit haftet an dieser durch Adhäsion, was die Schreibdauer wesentlich begrenzt und die Brauchbarkeit der Technologie wesentlich herabsetzt.

Einsatzgebiete

Ein sinnvolles Einsatzgebiet der im Folgenden beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Herstellung funktionaler Strukturen basierend auf Nanoclustern. Diese wiederum können vielfältige Anwendungen wie beispielsweise von Materialwissenschaften, Oberflächenchemie über Optik bis Medizintechnik finden. Insbesondere ist hier die Herstellung von elektronischen und quantenmechanischen Bauelementen zu nennen. Beispielsweise können mit einer solchen Anlage nanoskopische clusterbasierende PN-Dioden und andere kompliziertere elektronische Bauelemente wie beispielsweise NPN-Transistoren erzeugt werden. Auch ist die Platzierung von Metallclustern zur Herstellung einer Verdrahtung denkbar. Die 4 und 5 zeigen schematisch eine beispielhafte Ausformung einer solchen elektronischen Struktur auf Basis von einzelnen Nanoclustern.

Von besonderer Wichtigkeit ist die Anwendung zur Erzeugung dreidimensionaler photonischer und phononischer Kristalle, beispielsweise zur Herstellung kompakter dreidimensionaler Antennen bzw. Ultraschallmikrofone.

Des Weiteren ist bekannt, dass es möglich ist, kleine quantenmechanische Systeme beispielsweise Quanten-Bits und Quanten-Register in kleinen Nanokristalliten zu platzieren. Insbesondere ist es möglich, ein, zwei oder mehr optische Zentren beispielsweise NV-Zentren in Diamantkristalliten mittels Ionenimplantation mit Hilfe eines gängigen geeigneten Beschleunigers zu erzeugen und diese Kristallite dann mit Hilfe einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zu platzieren. Hierbei unterscheidet sich jedoch die unten als zweites beschriebene Nanopartikelquelle für vorgefertigte Kristallite und andere Nanoobjekte von einer generativen Nanopartikelquelle, die zuerst beschrieben wird.

Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung
Die Vorrichtung wird beispielhaft schematisch anhand der 3 und der Detailfiguren 1 und 2 erläutert. Die Vorrichtung gliedert sich in die drei Hauptkomponenten Nanoclusterquelle (42), Nanoclusterstrahlformung und -aufbereitung (43) und Positioniereinrichtung (44). Die Positioniereinrichtung (44) wird in 1 beispielhaft schematisch dargestellt. Es sind typischerweise zwei Arten von Nanoclusterquellen (42) möglich:

1. eine generative Quelle, die die Nanopartikel unmittelbar online erzeugt und
2. eine Quelle, die vorgefertigte Nanopartikel verwendet.

Die generative Nanoclusterquelle (42) (siehe 3) unterteilt sich in Clustersyntheseeinrichtung (39), Clustermassenspektrometer (40) und Cluserextraktionsoptik (41). Kern der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Kombination aus Positioniereinrichtung (44) auf Basis einer durchbohrten AFM-Spitze (1), wie sie bereits Stand der Technik ist, und der Nanopartikelquelle (42). Im Gegensatz zu der zum Stand der Technik gehörenden Vorrichtung, die zur Platzierung atomarer Teilchen dient und zum anderen einen Detektor für die Detektion der einzelnen atomaren Teilchen aufweist, werden hier Nanocluster, die aus 10 bis mehreren 100000 Atomen oder Molekülen bestehen platziert. Insbesondere wird auf einen Detektor explizit verzichtet. Bei der Platzierung von Nanoclustern treten spezielle Probleme auf, die zu einem Verkleben der AFM-Spitze führen können und die durch die erfindungsgemäße Vorrichtung umgangen werden. Die AFM-Spitze (1) arbeitet damit quasi als Nanocluster-Strahl-Drucker zur Erzeugung von Nanocluster-Strukturen auf der Oberfläche (8) eines Substrates (6). Clusterstromdichte und Vorschub werden hierbei der Anwendung entsprechend aufeinander abgestimmt. Diese AFM-Spitze (1) bildet in erster Linie eine Blende zur Kollimation des Clusterstrahls (2). Selbstverständlich muss der Durchmesser des Lochs in der AFM Spitze (1) auf die zu platzierenden Nanocluster oder -partikel abgestimmt sein. Die AFM-Spitze (1) wird beispielsweise in Form einer holen Pyramide (3) ausgeführt, die sich beispielsweise an einem Cantilever (12) befindet, der beispielsweise durch ein piezo- und/oder thermoelektrisches Sensor/Aktor-System (10) bewegt werden kann. Dies hat den Vorteil, dass die optische Achse des Systems für den Clusterstrahl (2) frei bleibt und nicht für ein optisches System zur Vermessung des Zustands der AFM-Spitze (1) verwendet werden muss. Zweckmäßigerweise wird die AFM-Spitze (1) so an eine Aufhängung (11) montiert, dass ihre Spitze zum Substrat (6) weist und der Abstand (4) zwischen Spitze und Zielpunkt (5) auf der Substratoberfläche (8) minimal ist. Darüber hinaus sollte die Blende oder AFM-Spitze (1) zweckmäßigerweise durch Mikrointegration mit zusätzlichen elektrostatisch ladbaren Elektroden (7) versehen werden. Hierdurch wird typischerweise verhindert, dass die elektrostatisch geladenen, einfliegenden Nanocluster (2) die AFM-Spitze (Blende) (1) statt des Substrates (6,8) treffen und diese (1) verkleben und hierbei insbesondere die Öffnung oberhalb des Zielpunktes (5) auf der Substratoberfläche (8) verkleben. Dies unterscheidet den Stand der Technik wesentlich von der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die abstoßenden Elektroden (7) sind also von essentieller Bedeutung für die Funktionstüchtigkeit des Aufbaus und stellen neben der Kombination Nanoclusterquelle (42) – AFM (1) einen wesentlichen erfinderischen Schritt dar.
Darüber hinaus kann die AFM (1) verwendet werden, um das Platzierungsergebnis zu überprüfen. Parallel ist es sinnvoll mit einem Laser an einer Stelle typischerweise in der Nähe der AFM Spitze, die Passage eines einzelnen Nanoclusters beispielsweise durch Fluoreszenz zu detektieren und daraufhin die Passage weiterer Nanocluster durch elektrostatische Sperrfelder zu verhindern. Hierbei bietet sich beispielsweise die geeignete Aufladung einiger im Strahlengang befindlicher Blenden an.
Auch Tintenstrahldrucker verarbeiten Nanocluster, die in der zu druckenden Tinte dispergiert sind. Im Gegensatz zu diesen, ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung jedoch auch in der Lage, nanokristallinen Staub zu erzeugen oder zu verarbeiten und diesen zu platzieren und das mit erheblich höherer Platzierungsgenauigkeit. Darüber hinaus wird die ballistische Bahn der Nanocluster durch ionen- bzw. elektronenoptische Elemente (43,24,26) während des Fluges der Teilchen innerhalb der erfindungsgemäßen Vorrichtung modifiziert. Insbesondere kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung beispielsweise über eine massenspektroskopische Einrichtung (40) zur Einstellung bzw. Sortierung der Clustergröße verfügen. Im Gegensatz zu Tintenstrahldruckern wird die Flugbahn der Tröpfchen eines Tintenstrahldruckers im Moment der Tröpfchenbildung, also der Loslösung der Tröpfchen vom mikrofluidischen Druckkopf festgelegt.
Die ionen- oder elektronenoptischen Elemente der erfindungsgemäßen Vorrichtung können beispielsweise aus elektrostatischen Ablenkplatten (23) bestehen, die den Nanoclusterstrahl (2) nach dem Verlassen der Nanoclusterquelle (42) für eine optimale Bahn durch die Ionen- bzw. Elektronenoptik (43) repositionieren. Ein folgendes optionales Wien-Filter kann zur Energie-Separation der Nanocluster (21) benutzt werden. Die ausseparierten Nanocluster können beispielsweise in einer Blende (20) definiert abgefangen werden. Elektrostatische Linsensysteme, beispielsweise geeignet gestaltete Einzel-Linsen (18,17) können beispielsweise zur Fokussierung und Abbremsung oder Nachbeschleunigung des Nanoclusterstrahls bzw. der Nanocluster (2) verwendet werden, um das Arbeitergebnis zu optimieren. Die optimale Ausrichtung auf die AFM-Spitze kann durch Steerer-Paare (16) und Multipolelemente (15) erreicht werden. Eine austauschbare und justierbare Objektblende (9) stellt sicher, dass keine Nano-Cluster (2) an der AFM-Spitze (1) vorbei das Substrat (6,8) außerhalb des Zielkreises (5) treffen können. Eine grobe Positioniereinrichtung (13) erlaubt den Verschub des Substrates (6) in x-, y- und z-Richtung sowie dessen Drehung und Neigung um typischerweise bis zu sechs Freiheitsgrade gegenüber AFM-Spitze (1) und Optik (43) mit Quelle (42). Für Justierzwecke sollte die Aufhängung (11) der AFM-Spitze so gestaltet werden, dass diese sich aus dem Strahlengang der Optik (43) herausschwenken lässt. Auch sollte die AFM-Spitze in allen drei Translationsrichtungen mit genügend hoher Reproduktionsgenauigkeit bewegt werden und um typischerweise zwei Winkel justiert werden können.
Die Clusterquelle (42) wird ebenso wie die Optik (43) je nach Bedarf und Anwendung gestaltet. Wesentlich ist, dass sie geladene Nanocluster (2) zu liefern im Stande sein muss. Eine beispielhafte Ausformung einer generativen Nanoclusterquelle umfasst unter anderem eine Nanoclustersyntheseeinrichtung (39). Diese besteht aus der eigentlichen Synthesekammer (36) in die beispielsweise ein Synthesegas über eine Zuführung (38) eingeleitet wird. Ein beispielhaftes Synthesegas besteht typischerweise aus einem Gemisch von einem inerten Trägergas z.B. Ar, möglicherweise weiteren, gasförmigen Reaktionspartnern oder anderen, gasförmigen Komponenten und einem gasförmigen Precursor (beispielsweise Zn(CH₃) ₂ ). Die Konzentration der verschiedenen Gase kann zur Einstellung spezifischer Synthesebedingungen in einem großen Bereich variiert werden. Durch Energiezufuhr, beispielsweise über einen Mikrowellen- oder RF-Generator, eine Heizquelle in Form eines Rohrofens oder einer Flamme, einen Laser oder andere Energiequellen, die eine Energiedissipation im Reaktor (36) erzeugen, wird mittels der Energiequelle eine chemische Reaktion in Gang gesetzt, die durch geeignete Wahl der zugeführten Energie, der Stoffkonzentrationen und der Strömungsgeschwindigkeit im Reaktor zur Bildung der gewünschten Nanocluster (2) führt. Die Homogenität der gebildeten Cluster lässt jedoch in der Regel zu wünschen übrig, die Standardabweichung von der mittleren Partikelgröße beträgt typischerweise 10 – 50%.
Eine weitere beispielhafte Form der Nanocluster-Synthese besteht in der Zerstäubung einer als Lösung oder Dispersion vorliegenden Flüssigkeit, beispielsweise durch pneumatische Zerstäubung oder durch Zerstäubung in einem elektrostatischen Feld (Elektrospray-Verfahren). Durch Überführung der Flüssigkeit in eine Reaktionskammer mit vermindertem Druck kann das Lösungsmittel verdampft werden, so dass die in der Lösung vorliegenden Nanocluster freigesetzt werden oder aus in der Lösung vorliegenden Vorläufersubstanzen hergestellt werden. Durch Zufuhr von Energie können diese Substanzen zum gewünschten Produkt umgesetzt werden.
Für die weitere Verarbeitung der Nanocluster ist ein ballistischer Transport in zur erfindungsgemäßen Ionenoptik (43) notwendig. Hierfür muss die mittlere freie Weglänge der Nanocluster erhöht und das Vakuum verbessert werden. Auch werden solche Nanocluster aussepariert, die bereits eine bevorzugte Bewegungsrichtung haben. Dies geschieht über eine mindestens einstufige Extraktion der Nanocluster-beladenen Gasphase aus dem Reaktor in eine Vakuumkammer über eine Düse. Besonders bevorzugt ist ein zweistufiger Aufbau aus einer ersten und einer zweiten Vakuumkammer, wobei der Druck in der zweiten Kammer niedriger ist als in der ersten Kammer.
Die so separierten Nanocluster werden durch einen elektrostatischen Massenseparator (oder Massenspektrometer) nach Teilchenmasse sortiert und über eine Ionenoptik (im einfachsten Fall ein einfaches Blendensystem)(43) der Platzierungsvorrichtung (44) zugeführt. Dieses Nanoclostermassenspektrometer (40) kann beispielsweise elektrostatisch aufgebaut werden. Hierbei erzwingt ein erstes Plattenpaar (31) eine Ablenkung des Clusterstrahls. Ungeladene Cluster werden nicht beeinflusst und werden in dem in gerader Richtung liegenden Sumpf (28) aufgenommen. Zur Definition der Energie der Nanocluster kann darüber hinaus beispielsweise zwischen zwei Gittern (30,29) eine rechteckförmige Wechselspannung definierter Pulsspannung, Pulsdauer und -periode angelegt werden. Hierdurch können bei geeigneter Einstellung der Parameter der Spannung nur solche Nanocluster die Öffnung im Sumpf (28) erreichen, die bestimmten Parametern insbesondere Masse und Geschwindigkeit genügen.
Kleinere Blenden (20) müssen hierbei ggf. wiederum über Elektroden und elektrostatische Aufladung vor dem Verkleben geschützt werden.
Die Vorrichtung verfügt typischerweise über weitere Komponenten, die im Einzelfall variieren können.
Nach dem Passieren des Sumpfes (28) ist es sinnvoll, den so erzeugten Nanoclusterstrahl in seiner Richtung zu korrigieren (41). Dies kann beispielsweise durch Steerer (26) geschehen. Eine Blende (25) reduziert die durch diese Korrektur aufgetretenen Fehler. Eine Kondensorlinse (24) beschleunigt und extrahiert die Nanocluster aus der Quelle. Durch geeignete Wahl der Extraktionsblende und der Teilchenparameter kann sichergestellt werden, dass die Teilchenstromdichte im weiteren Verlauf so niedrig ist, dass die Platzierung einzelner Cluster möglich ist. Dieses Element schließt die beispielhafte generative Nanoclusterquelle (42) ab.
Eine beispielhafte Nanoclusterquelle für die Generation eines Nanoclusterstroms aus vorgefertigten Nanoclustern kann beispielsweise wie folgt skizziert werden:
Aus den vorgefertigten Nanoclustern wird zunächst offline eine kollodiale Lösung in einem leicht flüchtigen, geeigneten Lösungsmittel hergestellt. Diese wird in einen Vorratsbehälter gegeben, wo durch geeignete Maßnahmen ein Absetzen der Teilchen verhindert wird. Solche Maßnahmen können beispielsweise Dispergiermittel, Rühren oder Ultraschall sein. Handelt es sich bei den Teilchen um Zellen, so muss sichergestellt sein, dass diese geeignete Lebensbedingungen vorfinden. Es ist also ggf. für eine ausreichende Sauerstoffzufuhr, Temperierung und Ernährung zu sorgen.
Die kolloidiale Lösung wird beispielsweise über eine Pumpe angesaugt und mit Hilfe einer Düse so in eine erste Kammer gesprüht, dass geladene Nanotröpfchen entstehen. Durch einen verringerten Gasdruck verdampft typischerweise das Lösungsmittel, beispielsweise ein organisches Lösungmittel, und als Teilchen bleiben die Nanopartikel zurück. Durch einen Massenseparator wie oben beschrieben wird nun sichergestellt, dass nur Teilchen der richtigen Größe und des richtige Ladungszustands eine Blende passieren können. Hierdurch ist diese Quelle in der Lage, ohne große Umbauten oder Umstellungen nur durch Änderung der Selektionsparameter – beispielsweise der Selektionsspannungen- schnell zwischen verschiedenen Nanoclustertypen zu wechseln. Durch Verwendung einer kollodialen Mischung verschiedener Nanoclustertypen, die sich in einem Nutzparameter – beispielsweise der elektrischen Leitfähigkeit – und einem Selektionsparameter – beispielsweise dem Clustergewicht – unterscheiden, ist so die instantane Umschaltung zwischen verschiedenen Nanosclustern unterschiedlichen Materialtyps möglich. Dies ist ein wesentlicher Vorteil. Auch hier schließt eine Kondensorlinse die Nanopartikelquelle ab.
Verschiedene beispielhafte Faraday-Cups (27, 22, 19), die im weiteren, auf besagte Nanoclusterquellen folgenden Strahlengang liegen, können das sukzessive Einstellen der korrekten Parameter für die gewählte Clustersorte ermöglichen. Darüber hinaus ist es sinnvoll, verschieden Schleusen für die Probenentnahme und Prozesskontrolle vorzusehen.
Bei der Herstellung von Nanostrukturen, beispielsweise bestehend aus zwei- oder dreidimensionalen Anordnungen von Nanoclustern, wird zweckmäßigerweise zunächst ein Test-Target, beispielsweise ein mit PPMA beschichtetes Silizium-Wafer-Stück, was sich gleichzeitig auf der Positioniereinrichtung (13) befindet, bearbeitet. Neben den hier beschriebenen Einrichtungen ist es sinnvoll, die Vorrichtung um eine Einrichtung zu ergänzen, die eine hinreichend genaue Beobachtung des Zielpunktes (5) erlaubt. Ein Long-Distance-Auflicht-Mikroskop hat sich für solche Zwecke bewährt. Dessen Strahlengang wird beispielsweise über einen Spiegel mit einem ausreichenden Loch für den Nanoclusterstrahl an geeigneter Stelle (z.B. zwischen 15 und 9) eingekoppelt.
Beispielhafte Strukturen
Durch die ortsaufgelöste Platzierung von Nanoclustern wird es möglich, punkt förmige (= nulldimensionale), linienförmige (= eindimensionale), flächige (= zweidimensionale) und dreidimensionale Strukturen aus Nanoclustern aufzubauen. Hierfür ist es von besonderem Vorteil, wenn unterschiedliche Clustertypen platziert und in die entstehende Struktur integriert werden, die sich in ihren physikalischen, biologischen oder chemischen Eigenschaften definiert unterscheiden. Beispielsweise können elektrisch halbleitende Cluster abgeschieden werden, die n-leitend (54) oder p-leitend (55) sind. Auf diese Weise können nicht nur einfache elektronische Funktionselemente wie beispielsweise Leitungen und Kontakte sondern auch kompliziertere elektronische Bauelemente wie Widerstände (51), die auch als Sicherung dienen können, pn-Dioden (52) oder Transistoren abgeschieden werden. Diese können beispielsweise über besagte Leitungen (50) aus überlagerten Metall-Nanoclustern (53) mit makro- oder mikroskopischen Leitungen (49) verbunden werden. Werden elektrisch isolierende Cluster (57) abgeschieden, so können Leitungskreuzungen in dreidimensionalen Strukturen (56) realisiert werden.
Aus diesen Elementen lassen sich noch kompliziertere Systeme ausbauen, die sowohl Elemente enthalten, die empfindlich gegen äußere Einflüsse sind, als auch Elemente enthalten, die beispielsweise durch elektrisch Erhitzung und Bimetall-Funktionalität als Aktor wirken können.
Die Möglichkeiten sind jedoch hierauf nicht beschränkt. Hierbei sind insbesondere auch die chemischen und biologischen Wirkungen zu nennen, die sich wesentlich von denen auf atomarer oder mikroskopischen Ebene unterscheiden.
Schließlich ist noch die Platzierung und Montage nanoskopischer Systeme auf mikro- und makroskopischen Trägersystemen zu nennen, also solcher Nanocluster, die selbst wieder eine innere Struktur, beispielsweise gekoppelte Quantenpunkte, aufweisen und beispielsweise durch die Platzierung geeignet assembliert und damit einer Nutzung zugänglich gemacht werden.
Figuren
1: Prinzipschema einer beispielhaften erfindungsgemäßen AFM Spitze mit Elektroden
2: Prinzipschema einer beispielhaften erfindungsgemäßen Nanoclusterquelle
3: Prinzipschema einer beispielhaften erfindungsgemäßen Vorrichtung
4: Prinzipschema einer beispielhaften erfindungsgemäßen Nanostruktur (hier Leitung, Widerstand, PN-Diode)
5: Prinzipschema einer beispielhaften erfindungsgemäßen Nanostruktur (hier Leitungskreuzung) Liste der Bezeichnungen

Claims

Vorrichtung zur ortsaufgelösten Platzierung von Nanoclustern auf einem Werkstück dadurch charakterisiert, dass die Nanocluster elektrostatisch geladen sind und ballistischen Bahnen folgen, die wesentlich durch elektrostatische und oder magnetische Felder vorgegeben werden.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass sie über eine Nanoclusterquelle zur Erzeugung ballistischer Nanocluster verfügt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Nanoclusterquelle die Nanocluster synthetisiert.
Vorrichtung gemäß Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass sie über eine Nanoclusterquelle verfügt, die vorgefertigte Nanocluster zu ballistischen Nanoclustern vereinzeln kann.
Vorrichtung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Nanoclusterquelle verschiedenartige Nanocluster gleichzeitig liefern kann.
Vorrichtung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Nanoclustern um komplexe Partikel insbesondere auch Zellen handeln kann.
Vorrichtung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass sie über eine Vorrichtung verfügt, die die Feststellung der erfolgreichen Platzierung eines einzelnen Nanoclusters oder mehrer Nanocluster oder die Vermessung eines einzelnen platzierten Nanoclusters oder mehrer platzierter Nanocluster ermöglicht.
Vorrichtung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass sie über eine Einrichtung, beispielsweise ein Lasermesssystem, verfügt, die das Passieren eines vordefinierten Bahnbereiches der zugelassenen Nanoclusterbahnen durch einen einzelnen Nanocluster zu detektieren vermag.
Vorrichtung gemäß Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass es sich um eine AFM oder STM-Vorrichtung oder ein REM oder ein Mikroskop oder eine FIB-Anlage handelt.
Vorrichtung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass sie über eine Einrichtung verfügt, die in irgendeiner Weise zur Justage des Werkstücks gegenüber der Einrichtung benutzt werden kann.
Vorrichtung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass die Bahn der Nanocluster zwischen Clusterquelle und Werkstückoberfläche im Wesentlichen durch einen Bereich niedrigen Gasdrucks insbesondere einen Bereich mit Vakuum ähnlichen Parametern und/oder hoher freier Weglänge der Nanocluster führt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter des Bereiches so gewählt werden, dass die Nanocluster nicht geschädigt werden.
Vorrichtung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen Clusterquelle und Werkstückoberfläche so klein ist oder so kompensiert werden kann, dass Wechselwirkungen zwischen einem in der Bahn eines Nanoclusters von der Nanoclusterquelle zur Werkstückoberfläche befindlichen Gases, insbesondere Restgases, hinsichtlich der Auswirkungen auf die Positioniergenauigkeit vernachlässigt oder neutralisiert werden können.
Vorrichtung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13 dadurch gekennzeichnet, dass nur solche Nanocluster platziert werden, deren physikalischen Parametern insbesondere auch Bahnparameter vorbestimmten Vorgaben genügen.
Vorrichtung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14 dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Komponente besitzt, die zur Herausfilterung solcher Nanocluster benutzt werden kann, deren physikalischen Parameter insbesondere auch Bahnparameter vorbestimmten Vorgaben nicht genügen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 14 oder 15 dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei mindestens einem der Parameter um die Clustergröße, das Clustergewicht, die Clustergeschwindigkeit, die Clusterladung, die Clusterpolarisation und/oder das magnetische Moment eines Clusters und/oder den Endpunkt der Clusterbahn in der Vorrichtung handelt.
Vorrichtung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16 dadurch gekennzeichnet, dass bekannte Bauelemente der Ionen- und/oder Elektronenoptik wie beispielsweise magnetische und elektrostatische Linsen, Blenden, Ablenkplatten, Filter etc. die Bahn der Nanocluster vorgeben oder ändern können.
Vorrichtung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Element unter anderem die ionenoptische Funktion einer Blende haben kann.
Vorrichtung gemäß Anspruch 18 dadurch gekennzeichnet, dass das Element sich in unmittelbarer Nähe des Werkstücks befindet.
Vorrichtung gemäß Anspruch 19 dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen Werkstück und Blende gering, typischer weise wenige μm oder sogar weniger als 1 μm ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 20 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein ionenoptisches Element, typischerweise eine Blende, eine Vorrichtung aufweist, die eine Beeinträchtigung seiner Funktionstüchtigkeit insbesondere ein Verkleben bei Treffern von Nanoclustern verhindern kann.
Vorrichtung gemäß Anspruch 21 dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Vorrichtung um mindestens eine den Nanoclustern gleichpolig aufladbare Elektrode handelt.
Vorrichtung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 17 bis 22 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein ionen- oder elektronenoptisches Element der Vorrichtung durch Mikrointegration hergestellt worden ist.
Vorrichtung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 17 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei mindestens einem ionen- oder elektronenoptischen Element um eine mit einem Loch versehene AFM-Spitze handelt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 24 dadurch gekennzeichnet, dass die AFM Spitze zumindest die Funktion einer Blende gemäß Anspruch 18 hat und zumindest den Bereich der erlaubten Endpunkte der Nanoclusterbahnen auf dem Werkstück gemäß Anspruch 14 bestimmen kann.
Vorrichtung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 24 bis 25 dadurch gekennzeichnet, dass die Position der AFM-Spitze gegenüber den Nanoclusterbahnen verändert werden kann.
Vorrichtung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 26 dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück mit einer Positionier- und/oder Ausrichtungseinrichtung verbunden ist, die es erlaubt das Werkstück gegenüber den erlaubten Nanoclusterbahnen zu verschieben und/oder neu zuorientieren.
Vorrichtung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 18 bis 27 dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück mit einer Positionier- und/oder Ausrichtungseinrichtung verbunden ist, die es erlaubt das Werkstück gegenüber einer Blende nach Anspruch 18 insbesondere gegenüber einer AFM-Spitze nach einem oder mehreren der Ansprüche 24 oder 25 zu verschieben und/oder neu zuorientieren.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 28 dadurch gekennzeichnet, dass die erlaubten Nanoclusterbahnen mindestens ein ionenoptisches Element passieren, das als Multipollinse verwendet werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 29 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der als Multipollinsen verwendbaren passierten ionenoptischen Elemente eine elektrostatische Linse ist.
Vorrichtung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 30 dadurch gekennzeichnet, das Nanocluster mit unterschiedlichen physikalischen oder chemischen Eigenschaften platziert werden können.
Vorrichtung gemäß Anspruch 31 dadurch gekennzeichnet, das Nanocluster mit unterschiedlichen elektrischen und oder magnetischen Eigenschaften, insbesondere leitenden, halbleitenden oder isolierenden Eigenschaften platziert werden können.
Vorrichtung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 31 bis 32 dadurch gekennzeichnet, dass Nanoclustster unterschiedlicher magnetischer Eigenschaften, insbesondere ferromagnetischen, paramagnetischen oder diamagnetischen Eigenschaften platziert werden können.
Vorrichtung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 31 bis 33 dadurch gekennzeichnet, dass Nanocluster mit unterschiedlichen Eigenschaften hinsichtlich des Verhaltens gegenüber elektromagnetischer Strahlung platziert werden können.
Vorrichtung gemäß Anspruch 34 dadurch charakterisiert, dass es sich hierbei um Strahlung im HF-, THz-, IR-, optischen, UV-, EUV-, Röntgen- oder -Strahlungs-Bereich handelt.
Vorrichtung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 31 bis 35 dadurch gekennzeichnet, dass Nanocluster mit unterschiedlichen Eigenschaften hinsichtlich des Verhaltens gegenüber Temperatur und/oder Temperaturgradienten platziert werden können.
Vorrichtung gemäß Anspruch 36 dadurch gekennzeichnet, dass Nanocluster platziert werden können, die eine unterschiedliche Temperaturleitfähigkeit aufweisen.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 36 bis 37 dadurch gekennzeichnet, dass Nanocluster platziert werden können, die sich in ihren chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften unter Temperatureinfluß verändern.
Verfahren zur Herstellung einer Struktur auf einer Werkstückoberfläche dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Nanocluster mit Hilfe einer Vorrichtung mit Merkmalen gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 38 in Nähe oder auf der Oberfläche eines Werkstücks platziert wird.
Verfahren nach Anspruch 39 bei dem die Platzierung der Nanocluster relativ zu mindestens einer auf der Targetoberfläche oder im Targetmaterial befindlichen Justiermarke oder sonstigen messtechnisch oder optisch erkennbaren Struktur erfolgt.
Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 39 bis 40 bei dem die Platzierung zweier Nanocluster in einem vordefinierten mittleren Abstand zu einander erfolgt, der kleiner als der doppelte mittlere Durchmesser, insbesondere kleiner als der mittlere Durchmesser, der Nanocluster ist.
Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Nanocluster unterschiedlicher physikalischer oder chemischer Beschaffenheit auf einem Werkstück in einem vordefinierten Abstand platziert werden.
Verfahren nach Anspruch 42 dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Nanocluster aus einer Quelle stammen.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 39 bis 43 und dadurch gekennzeichnet, dass mindesten zwei platzierte Nanocluster eine funktionale Struktur bilden.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 39 bis 44, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein platzierter Nanocluster eine innere Struktur, beispielsweise einen oder mehrere Quantenpunkte, aufweist.
Struktur aus Nanoclustern, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus mindestens zwei zuvor einzelnen Nanoclustern besteht, die in vordefinierter, nicht zufälliger Weise zueinander angeordnet wurden.
Struktur aus mindestens einem Nanocluster und einem Werkstück, dadurch gekennzeichnet, dass der Nanocluster in nicht zufälligerweise auf dem Werkstück platziert ist und diese Platzierung nicht durch Selbstorganisation oder Verschiebung entlang der Werkstückoberfläche erfolgte.
Struktur aus Nanoclustern gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 46 bis 47, dadurch gekennzeichnet, dass sie zumindest in einem Teilbereich in vordefinierter nicht zufälliger Weise Eigenschaften aufweist, die dem Menschen direkt durch die menschlichen Sinne oder indirekt über Hilfsmittel insbesondere Vorrichtungen und Verfahren zugängliche Merkmale aufweisen.
Struktur aus Nanoclustern gemäß Anspruch 48 dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Eigenschaften insbesondere um geometrische und/oder physikalische und/oder chemische und/oder biologische Eigenschaften handelt.
Struktur aus Nanoclustern gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 46 bis 49 dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur sich zumindest teilweise in Kontakt mit einer Oberfläche insbesondere eines Werkstücks insbesondere eines geeigneten Trägers befindet oder physikalisch von einer solchen beeinflusst wird.
Struktur aus Nanoclustern gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 46 bis 50 dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens eine Teilstruktur aufweist, die durch ein Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 39 bis 44 hergestellt wurde.
Struktur aus Nanoclustern gemäß Anspruch 51 dadurch gekennzeichnet, dass sie null-, ein-, zwei-, oder dreidimensional ist.
Struktur aus Nanoclustern gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 46 bis 52 dadurch gekennzeichnet, dass sie in mindestens zwei Teilstrukturen unterteilt werden kann, die sich durch Geometrie oder Lokalisierung oder physikalischen Eigenschaften oder chemischen Eigenschaften oder dem Menschen sonst wie direkt durch die menschlichen Sinne oder indirekt über Hilfsmittel zugängliche Merkmale unterscheiden.
Struktur aus Nanoclustern gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 46 bis 53 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Teilstruktur der Struktur oder die Struktur elektrisch leitfähig ist.
Struktur aus Nanoclustern gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 46 bis 53 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Teilstruktur der Struktur oder die Struktur selbst elektrisch halbleitend insbesondere p- oder n-leitend ist.
Struktur aus Nanoclustern gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 46 bis 55 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Struktur oder die Struktur selbst elektrisch isolierend ist.
Struktur aus Nanoclustern gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 46 bis 56 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Teilstruktur oder die Struktur selbst ein elektrisches und/oder elektronisches Funktionselement wie beispielsweise eine Leitung, eine Wellenleitung, einen photonischen Kristall, eine Antenne, einen Kontakt, einen mechanischen Schalter, einen Taster, eine Kreuzung, eine Durchkontaktierung, eine Verbindung, einen Widerstand, einen Isolator, einen Kondensator, eine Spule, eine Diode oder einen Bipolar- oder Feldeffekttransistor darstellt.
Struktur aus Nanoclustern gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 46 bis 57 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Teilstruktur oder die Struktur ein Funktionselement darstellt, das in mindestens einer Funktion in beabsichtigter Weise empfindlich gegen mindestens einen biologischen und/oder chemischen und/oder physikalischen Einfluss ist und in vorhersagbarer Weise ein Merkmal gemäß Anspruch 48 so ändert, dass die Auswirkung dieser Änderung dem Menschen direkt durch die menschlichen Sinne oder indirekt über Hilfsmittel insbesondere Vorrichtungen und Verfahren zugänglich und/oder offenbar werden kann.
Struktur aus Nanoclustern gemäß Anspruch 58 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Teilstruktur oder die Struktur die Funktion eines Sensors haben kann.
Struktur aus Nanoclustern gemäß Anspruch 59 dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Sensor beispielsweise um eine Sicherung, einen Leitfähigkeitssensor oder eine Teilstruktur oder Struktur mit Empfindlichkeit gegenüber biologischen und/oder chemischen Stoffen wie beispielsweise Enzymen und DNA und/oder eine Struktur mit Empfindlichkeit gegenüber physikalischen, insbesondere mechanischen Einflüssen beispielsweise einen Schalter oder einen Taster handelt.
Struktur aus Nanoclustern gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 46 bis 60 dadurch gekennzeichnet, dass eine Teilstruktur oder die Struktur selbst unter vorbestimmten Bedingungen in der Lage ist, die unmittelbare Umgebung der Teilstruktur oder der Struktur selbst chemisch oder physikalisch, insbesondere mechanisch oder thermisch zu beeinflussen.
Struktur aus Nanoclustern gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 46 bis 61 dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens zwei Teilstrukturen aufweist, die untereinander durch einen chemischen, biologischen oder physikalischen Prozess, insbesondere einen mechanischen oder thermischen Prozess gekoppelt sind.
Struktur aus Nanoclustern gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 46 bis 62 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Teilstruktur oder die Struktur selbst die Funktion einer Sensor-Aktor-Kombination, beispielsweise eines thermoelektrischen Relais aus thermoelektrischem Steller und Schalter, darstellt.
Struktur aus Nanoclustern gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 46 bis 63 dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei mindestens einem der Nanocluster um eine lebende Zelle handelt und/oder eine lebende Zelle mit einer solchen Struktur in chemische, biologische, insbesondere biochemische oder physikalische Wechselwirkung treten kann oder tritt.
Struktur aus Nanoclustern gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 46 bis 64 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Nanocluster mindestens einen Quantenpunkt aufweist.
Struktur gemäß Anspruch 65 dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens zwei Quantenpunkte aufweist, die miteinander gekoppelt sind.
Struktur gemäß Anspruch 66 dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens eine Teilstruktur aufweist, die als Quantenregister benutzt werden kann, wobei die Teilstruktur mit der Struktur identisch sein kann.