-
Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung
von Partikel-Sonden für die Rastersondenmikroskopie unter
Verwendung von Raster geätzten Sonden auf Scheiben aus
Halbleitermaterial.
-
In
der optischen Rastersondenmikroskopie ist es von Nutzen, über
eine Sonde zu verfügen, deren optische, magnetisch, chemisch,
biologisch aktiver Teil aus einem nanoskaligen Partikel an der Spitze
der Sonde besteht.
-
Solche
Sonden können nach folgendem Verfahren hergestellt werden,
das in der Druckschrift Sqalli, Bernal, Hoffmann, Marquis-Weible:
Improved Tip performance for scanning near-field optical microscopy
by the attachment of a single gold nanoparticle, Applied Physics
Letters, Volume 76, No. 15, p. 2134-2136, beschrieben ist,
bei dem die Sondenspitzen in eine Suspension mit Nanopartikeln getaucht werden
und dann auf ein Anlegen eines Nanopartikels gehofft wird.
-
Ein
anderes Verfahren ist in der Druckschrift Kalkbrenner, Ramstein,
Mlynek und Sandoghdar: A single gold particle as a probe for apertureless
near-field optical microscopy, Journal of Microscopy, Volume 202-1,
p.72-76 (2001) beschrieben, bei dem eine metallfreie Sonde
mit einem vorgegebenen Haftmolekül zur Anbindung eines
nanoskaligen Partikels beschichtet wird. Ein Substrat trägt
das anzubringende Nanopartikel. Die Sonde wird als Rastersonde über
das Substrat bewegt, wobei die Partikel eine Höheninformation
erzeugen. Aus der Höheninformation wird ein Partikel lokalisiert
und ausgewählt. Die Position des ausgewählten
Nanopartikels wird angefahren und die Höhenregelung derart
manipuliert, dass das Nanopartikel vom Haftmolekül gebunden
werden kann.
-
Ein
Problem bei beiden Verfahren besteht darin, dass entweder die Sondenherstellung
in ihrer tatsächlichen Ausführung willkürlich
oder die Abrasterung des Substrates zeitaufwändig und die
optische Qualität des Nanopartikels ungewiss ist. Es ist eine
nachträgliche optische Charakterisierung des so angebundenen
Nanopartikels erforderlich, was sich jedoch für Partikel,
die kleiner als 100 nm sind, als schwierig bis unmöglich
erweist.
-
In
einem herkömmlichen Verfahren zur Herstellung von Sondern
für die Rastersondenmikroskopie werden spitze Sonden durch Ätzen
von Siliziumscheiben (engl. wafer) hergestellt. Dabei werden aus einer
einzelnen Siliziumscheibe hunderte von Sonden parallel und gleichzeitig
freigeätzt, wobei die relativen und absoluten Positionen
der Sondenspitzen durch ein vorgegebenes Raster definiert sind.
-
Ein
Problem besteht darin, dass im Allgemeinen für die relative
Wechselwirkung beim Auflesen des Partikels durch die Sondenspitzen
die Genauigkeit des Auflesens eines Partikels zur zugehörigen ausgebildeten
Spitze relativ gering ist.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren
zur Herstellung von Partikel-Sonden für die Rastersondenmikroskopie
anzugeben, die derart geeignet ausgebildet sind, dass einerseits
eine willkürliche Auflesung und eine zeitaufwändige
Abrasterung des die Partikel aufweisenden Substrats weitgehend vermieden
wird. Andererseits soll ebenfalls die aufwändige Ausbildung
von ultimativen spitzen Sondenspitzenbereichen bei der Sondengestaltung
vermieden werden.
-
Die
Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und
6 gelöst. Die Vorrichtung zur Herstellung von Partikel-Sonden
für die Rastersondenmikroskopie unter Verwendung von Raster
(xyz) geätzten Plateau-Sonden auf Scheiben aus Halbleitermaterial
enthält gemäß Patentanspruch 1
- – einen ersten Lateralpositionierer
für die Scheibe, die mehrere in Raster (xyz) geätzte
Plateau-Sonden aufweist, deren Plateaus mit Haftstoffen versehen
sind,
- – einen zweiten Lateralpositionierer für ein
Partikelreservoir, das aus einem Substrat mit Raster (x'y'z') gestützten
Fixierinseln, in denen sich die Partikel befinden, besteht, wobei
der zweite Lateralpositionierer zum ersten Lateralpositionierer
einen vorgegebenen vertikalen Abstand a aufweist,
- – eine Rasterpositioniereinrichtung zur übereinstimmenden
Lageeinstellung zwischen den Plateau-Sonden und den Partikeln und
- – eine Vertikal-Verschiebeinrichtung, die mit den beiden
Lateralpositionierern und der Rasterpositioniereinrichtung in mechanischer
und elektrischer Verbindung steht und die die Lateralpositionierer vertikal
relativ zueinander bewegt,
wobei vor dem Auflesevorgang die
beiden Raster (xyz) und (x'y'z') sowohl in vertikaler und lateralen Positionen
in Übereinstimmung gebracht sind, so dass beim Auflesevorgang
zeitparallel mit jedem Plateau-Partikel-Kontakt Partikel-Sonden
entstehen.
-
Die
Rasterpositioniereinrichtung kann als Steuereinheit ausgebildet
sein und mit den Lateralpositionierern und der Vertikal-Verschiebeeinrichtung in
signaltechni scher Verbindung stehen und entsprechende programmtechnische
Mittel zur Steuerung des Herstellungsprozesses der Partikel-Sonden
aufweisen.
-
Der
Rasterpositioniereinrichtung kann aber auch ein Computer als Steuereinheit
zugeschaltet sein, der auch mit den Lateralpositionierern und der Vertikal-Verschiebeeinrichtung
in signaltechnischer Verbindung steht und der entsprechende programmtechnische
Mittel zur Steuerung des Herstellungsprozesses der Partikel-Sonden
enthält.
-
Das
Plateau weist im Allgemeinen einen vorgegebenen Durchmesser D auf,
wodurch eine Plateau-Sonde mit stumpfer Spitze ausgebildet ist.
-
Die
Fixierinseln können Vertiefungen im Substrat darstellen
oder durch eine fotolithografisch gestützte lokale Funktionalisierung
des Substrats ausgebildet sein.
-
Das
Halbleitermaterial der Scheiben kann neben Silizium z. B. auch Siliziumnitrid
od. dgl. sein.
-
Das
Verfahren zur Herstellung von Partikel-Sonden für die Rastersondenmikroskopie
unter Verwendung von Raster (xyz) geätzten Plateau-Sonden
auf einer Scheibe aus Halbleitermaterial wird mittels der Vorrichtung
1 bis 5 gemäß Patentanspruch 6 mit folgenden Schritten
durchgeführt:
- – Herstellung
einer Scheibe aus Halbleitermaterial mit Plateau-Sonden durch einen
ein erstes Raster (x,y,z) begleitenden Ätzvorgang,
- – Einbringen der Scheibe in einen ersten Lateralpositionierer
der Vorrichtung unter Berücksichtigung des ersten Rasters
(x,y,z),
- – Einbringen eines Partikelreservoirs mit einem zweiten
Raster (x',y',z') für die in rasterbezogenen Fixierinseln
eines Substrats vorhandenen Partikel,
- – Ausbilden eines Abstandes a zwischen beiden Lateralpositionierern,
- – Vergleichen der Raster (x,y,z) und (x',y',z') und Herstellung
der jeweiligen Abstands (b)-Korrespondenz von Plateau-Sonden der
Scheibe und von Partikeln des Substrates und
- – Auslösung des Auflesevorgangs und relative Bewegung
der Lateralpositionierer durch die Vertikal-Verschiebeinrichtung
zueinander, bis nach haftender zeitparalleler Kontaktierung von
Plateau-Sonden und Partikel die Partikel-Sonden entstehen.
-
Beim
Auflesevorgang wird eine laterale Positioniergenauigkeit durch den
Durchmesser D des Plateaus und die Rasterübereinstimmungsgenauigkeit
G zwischen den beiden Rastern (x,y,z) und (x',y',z') der Scheibe
aus Halbleitermaterial und des Substrats vorgegeben.
-
Die
vertikale Positionierung wird mittels der Vertikal-Verschiebeeinrichtung,
die auch aus mindestens einem gesteuerten oder einstellbaren Abstandhalter
bestehen kann, erreicht, wobei die mechanische Robustheit der Plateaus
für vergleichsweise hohe Toleranzen sorgt.
-
Die
Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels mittels
mehrerer Zeichnungen näher erläutert: Es zeigen:
-
1 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Herstellung von Partikel-Sonden für die
Rastersondenmikroskopie,
-
2 eine
schematische Darstellung des Auflesevorgangs innerhalb eines Partikelreservoirs an
einer einzelnen stumpf ausgebildeten Sondenspitze mit einem ebenen
Plateau, wobei in
2a das aufzulesende Nanopartikel
in der Raster gestützten Vertiefung des Substrats aufliegt,
2b das
aufgelesene Nanopartikel an der Plateau-Spitze anliegt und festklebt
und
2c eine schematische Partikel-Sonde
gezeigt sind.
-
3 eine
schematische Darstellung des Vorgangs der Parallelisierung nach 2 mit
Siliziumscheibe und Partikelreservoir, wobei
-
3a eine
Ausgangsposition vor dem parallelen Herabfahren und
-
3b eine
Endposition nach dem erfolgten parallelen Auflesevorgang zeigen.
-
In 1 ist
schematisch eine Vorrichtung 1 zur Herstellung von Partikel-Sonden
für die Rastersondenmikroskopie unter Verwendung von Raster (xyz)
geätzten Plateau-Sonden 4, 5, 6 auf
einer Siliziumscheibe 3, enthaltend
- – einen
ersten Lateralpositionierer 2 für die Siliziumscheibe 3,
die mehrere in Raster (xyz) geätzte Plateau-Sonden 4, 5, 6 aufweist,
deren Plateaus 7, 8, 9 mit Haftstoffen 10 versehen
sind,
- – einen zweiten Lateralpositionierer 11 für
ein Partikelreservoir 12, das aus einem Substrat 13 mit Raster
(x'y'z') gestützten Vertiefungen 14, 15, 16, in
denen sich die Partikel 17, 18, 19 befinden,
besteht, wobei der zweite Lateralpositionierer 11 zum ersten Lateralpositionierer 2 einen
vorgegebenen vertikalen Abstand a aufweist,
- – eine Rasterpositioniereinrichtung 20 zur übereinstimmenden
Lageeinstellung zwischen den Plateau-Sonden 4, 5, 6 und
den Partikeln 17, 18, 19 und
- – eine Vertikal-Verschiebeinrichtung 21, die
mit den beiden Lateralpositionierern und der Rasterpositioniereinrichtung 20 in
mechanischer und elektrischer Verbindung steht und die die Lateralpositionierer 2, 11 vertikal
relativ zueinander bewegt,
wobei vor dem Auflesevorgang
die beiden Raster (xyz) und (x'y'z') sowohl in vertikaler und lateralen
Positionen in Übereinstimmung gebracht sind, so dass beim
Auflesevorgang zeitparallel mit jedem Plateau-Partikel-Kontakt Partikel-Sonden 22, 23, 24 entstehen.
-
Die
Rasterpositioniereinrichtung 20 kann als Steuereinheit
ausgebildet sein und mit den Lateralpositionierern 2, 11 und
der Vertikal-Verschiebeeinrichtung 21 in signaltechnischer
Verbindung stehen und entsprechende programmtechnische Mittel zur Steuerung
des Herstellungsprozesses der Partikel-Sonden 22, 23, 24 aufweisen.
-
Der
Rasterpositioniereinrichtung 20 kann aber auch ein Computer 25 als
Steuereinheit zugeschaltet sein, der auch mit den Lateralpositionierern 2, 11 und
der Vertikal-Verschiebeeinrichtung 21 in signaltechnischer
Verbindung stehen kann und der entsprechende programmtechnische
Mittel zur Steuerung des Herstellungsprozesses der Partikel-Sonden 22, 23, 24 enthält.
-
Wie
in 2 gezeigt ist, weist vorzugsweise das Plateau 7 einen
vorgegebenen Durchmesser D auf, wodurch eine Plateau-Sonde 4 mit
stumpfer Spitze 7 ausgebildet ist.
-
Die
Plateaus 7, 8, 9 können als
ebene oder gewölbte Oberflächen im Sondenspitzenbereich
ausgebildet sein.
-
Die
Vorrichtung 1 stellt im Wesentlichen eine gesteuerte, einstellbare
Positionier- und Halterungseinrichtung dar, mit der aus Plateau-Sonden 4, 5, 6 Partikel-Sonden 22, 23, 24 hergestellt
werden können.
-
Das
Verfahren zur Herstellung von Partikel-Sonden für die Rastersondenmikroskopie
unter Verwendung von Raster (xyz) geätzten Plateau-Sonden 4, 5, 6 auf
einer Siliziumscheibe 3 mittels der Vorrichtung 1 weist
folgende Schritte auf:
- – Herstellung
einer Siliziumscheibe 3 mit Plateau-Sonden 4, 5, 6 durch
einen ein erstes Raster (x,y,z) begleitenden Ätzvorgang,
- – Einbringen der Siliziumscheibe 3 in einen
ersten Lateralpositionierer 2 der Vorrichtung 1 unter
Berücksichtigung des ersten Rasters (x,y,z),
- – Einbringen eines Partikelreservoirs 12 mit
einem zweiten Raster (x',y',z') für die in den Vertiefungen 14, 15, 16 eines
Substrats 13 vorhandenen Partikel 17, 18, 19,
- – Ausbilden eines Abstandes a zwischen beiden Lateralpositionierern
(2, 11),
- – Vergleichen der Raster (x,y,z) und (x',y',z') und Herstellung
der jeweiligen Abstand(b)-Korrespondenz von Plateau-Sonden 4, 5, 6 der
Siliziumscheibe 3 und von Partikeln 17, 18, 19 des
Substrates 13 und
- – Auslösung des Auflesevorgangs und relative Bewegung
der Lateralpositionierer 2, 11 durch die Vertikal-Verschiebeinrichtung 21 zueinander,
bis nach haf tender zeitparalleler Kontaktierung von Plateau-Sonden 4, 5, 6 und
Partikeln 17, 18, 19 die Partikel-Sonden 22, 23, 24 entstehen.
-
Der
Auflesevorgang ist im Detail in den 2, 2a, 2b angegeben,
wobei in 2a die Plateau-Sonde 4 mit
dem Plateau 7 einschließlich des Durchmessers
D und das Raster (x4y4z4 – x'17y'17z'17) korrespondierende
Partikel 17 in der Vertiefung 14 in einem vorgegebenen
Abstand b positioniert sind. Die Pfeilrichtung 26 gibt
das vertikale Herabfahren der Siliziumscheibe 3 an. Die
Kontaktstellung 27 zwischen Plateau 7 und Partikel 17 erfolgt
in 2b, wobei die Anbindung des Partikels 17 an
den Haftstoff 10 des Plateaus 7 erfolgt. Nach
der Anbindung, die zugleich die Auflesung darstellt, erfolgt in 2c das
Zurückfahren 28 der jetzt entstandenen Partikel-Sonde 22 in
die ursprüngliche Ausgangsposition.
-
In 3, 3a, 3b sind
schematische Darstellungen des Parallelisierungs-Vorgangs der Auflesung
im Ganzen nach 2 mit Siliziumscheibe 3 und
Partikelreservoir 12 angegeben, wobei 3a eine
Ausgangsposition vor dem parallelen Herabfahren 26 und 3b eine
Endposition nach Zurückfahren 28 durch die Vertikal-Verschiebeeinrichtung 21 nach
dem erfolgten parallelen Auflesevorgang zeigen.
-
Zum
Verfahren kann ergänzt werden, dass bei einer Verfügung über
eine Rasteranordnung (x,y,z) von im Partikelreservoir 12 vorhandenen
Partikeln 17, 18, 19, welche in ihrer
Verteilung der Raster (x'y'z') gestützten Anordnung der
Plateau-Sonden 4, 5, 6 in der Siliziumscheibe 3 mit
einer Genauigkeit G in der Rasterübereinstimmung entspricht,
durch das Verfahren die zuvor per Haftstoff 10 oder mit
einem Haftvermittler-Molekül präparierten, noch
an der Siliziumscheibe 3 befindlichen Plateau-Sonden 4, 5, 6 zeitparallel
mit einem Partikel 17, 18, 19 versehen werden
können, indem die Siliziumscheibe 3 und das partikeltragende
Substrat 13 angenähert werden. Hierbei ist die
notwendige laterale Positioniergenauigkeit durch den Durchmesser
D und die Rasterübereinstimmungsgenauigkeit G gegeben.
Alternativ können die Partikel 17, 18, 19 in
einer geschlossenen Lage auf dem Substrat 13 liegen, wobei
der Durchmesser D so während des Ätzprozesses
gewählt wird, dass nur ein Partikel 17, 18, 19 an
die Spitze 7,8,9 der Plateau-Sonde 4,5,6 passt.
-
Ist
das Substrat 13 mit den vorgegebenen Partikeln 17, 18, 19 im
entsprechenden Raster (x'y'z') mit Fixierinseln vorhanden, z. B.
durch die Vertiefungen 14, 15, 16 im
Substrat 13 oder durch eine elektronenstrahl- oder fotolithografisch
gestützte lokale Funktionalisierung, so kann die Vertikal-Verschiebeeinrichtung 21 ein
vorgegebener Abstand a zwischen den beiden Lateralpositionierern 2 und 11 vorgegeben
sein, wobei durch das relative Aufeinanderzubewegen der Scheibe 3 und
des Substrates 13 alle Spitzen 4, 5, 6 in
einem Arbeitsgang mit Partikeln 17, 18, 19 versehen
werden können, wie in 3, 3a, 3b gezeigt
ist. Dabei ist die notwendige laterale Positioniergenauigkeit G
in Bezug auf die Fixierinseln 14, 15, 16 durch
den Plateaudurchmesser D bestimmt und stellt in Anbetracht der Toleranzen
in der Halbleiterindustrie keine wesentliche Herausforderung dar.
Die absolute Positionierung lässt sich z. B. mechanisch
durch Anlegen an Kanten oder durch elektrische oder optische mit
Passmarken arbeitende Verfahren gewährleisten.
-
Die
vertikale Positionierung kann mittels der Vertikal-Verschiebeeinrichtung 21 oder
durch mindestens einen analogen gesteuerten oder einstellbaren Abstandshalter
erreicht werden, der sich zwischen Substrat 13 und Siliziumscheibe 3 befinden kann,
wobei die mechanische Robustheit der Plateaus 7, 8, 9 für
vergleichsweise hohe Toleranzen sorgt.
-
Es
ist bei einem der Partikelgröße D angepassten
Plateau 7, 8, 9 hinreichend, das Nanopartikelreservoir 12 als
zweidimensionale geschlossenen Partikellage auszubilden, da dann
genau ein Partikel 17, 181, 19 an jede
Sondenspitze 7, 8, 9 passt.
-
Die
Erfindung eröffnet folgende Möglichkeiten:
- – Durch die Vorrichtung 1 ist
keine zeitaufwändige xy-Abrasterung des Substrates 13 zur
Auflesung der Nanopartikel 17, 18, 19 erforderlich,
- – für die Sonden 4, 5, 6 brauchen
schließlich nur eine stumpfe Spitzen 7, 8, 9 eingesetzt
zu werden, da an den Spitzen 7, 8, 9 nur
die Wechselwirkung der Nanopartikel 17, 18, 19 von
Interesse ist, wobei die stumpfen Sondenspitzen 7, 8, 9 mit
herkömmlicher Lichtmikroskopie sichtbar sind.
- – Es reicht ein einmaliges Herabfahren der mit einem
Haftstoff 10 versehenen Plateau-Sonden 4, 5, 6,
um ein Nanopartikel 17, 18, 19 pro Plateau-Sonde 4, 5, 6 des
Partikelreservoirs 12 aufzulesen,
- – der Auflesevorgang in z/z'-Richtung der in 1 angegebenen
xyz-/x'y'z'-Raster bzw. Koordinatensysteme kann zeitlich schnell
und mit einfachen Mitteln vollzogen werden.
-
- 1
- Vorrichtung
- 2
- erster
Lateralpositionierer
- 3
- Scheibe
aus Halbleitermaterial
- 4
- erste
Plateau-Sonde
- 5
- zweite
Plateau-Sonde
- 6
- dritte
Plateau-Sonde
- 7
- erstes
Plateau
- 8
- zweites
Plateau
- 9
- drittes
Plateau
- 10
- Haftstoff
- 11
- Zweiter
Lateralpositionierer
- 12
- Partikelreservoir
- 13
- Substrat
- 14
- erste
Fixierinsel
- 15
- zweite
Fixierinsel
- 16
- dritte
Fixierinsel
- 17
- erstes
Partikel
- 18
- zweites
Partikel
- 19
- drittes
Partikel
- 20
- Rasterpositioniereinrichtung
- 21
- Vertikal-Verschiebeeinrichtung
- 22
- erste
Partikel-Sonde
- 23
- zweite
Partikel-Sonde
- 24
- dritte
Partikel-Sonde
- 25
- Computer
- 26
- Herabfahren
- 27
- Kontaktstellung
- 28
- Zurückfahren
- D
- Durchmesser
- G
- Genauigkeit
- xyz
- erstes
Raster
- x'y'z'
- zweites
Raster
- a
- Abstand
der Positionierer
- b
- Aufleseabstand
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - Sqalli, Bernal,
Hoffmann, Marquis-Weible: Improved Tip performance for scanning
near-field optical microscopy by the attachment of a single gold
nanoparticle, Applied Physics Letters, Volume 76, No. 15, p. 2134-2136 [0003]
- - Kalkbrenner, Ramstein, Mlynek und Sandoghdar: A single gold
particle as a probe for apertureless near-field optical microscopy,
Journal of Microscopy, Volume 202-1, p.72-76 (2001) [0004]