DE19619287A1 - Verfahren zum Erzeugen von Strukturen aus Nanoteilchen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erzeugen von Strukturen aus Nanoteilchen bevorzugt auf einem Substrat.

Mit den wachsenden Anforderungen an die Funktion von Bauele­ menten der Mikroelektronik ("kleiner", "schneller", "univer­ seller", "energiesparender") werden in naher Zukunft die konventionellen Lithografieverfahren an grundlegende physi­ kalische Grenzen stoßen. Die verfügbaren Lithografie­ techniken eignen sich für die Massenproduktion von Strukturen, die materialmäßig und geometrisch und damit in ihrer Funktion streng festgelegt sind. Darüber hinaus können diese Verfahren nicht oder nicht ohne erheblichen Aufwand zur Herstellung von Einzelstrukturen eingesetzt werden, deren Abmessungen unterhalb von 0,1 µm liegen.

Um beide Forderungen, Flexibilität und Miniaturisierung, erfüllen zu können, bietet sich die Struktursynthese aus vorfabrizierten Nanoteilchen an; dies sind Festkörper mit Abmessungen im 10-nm-Bereich und für spezielle Zwecke, im Sinne der Erfindung, bevorzugt unterhalb von 10 nm.

Zur Herstellung dieser Teilchen stehen eine Reihe unabhängiger Präparationsverfahren aus den Bereichen Kolloidchemie und Physik zur Verfügung. Die noch näher zu beschreibenden Präparationsverfahren erlauben es, Teilchen unterschiedlicher Größen sowie aus unterschiedlichen Materialklassen höchster Reinheit (z. B. Metalle, Halbleiter, Halbmetalle, Isolatoren, sowie magnetische, nichtmag­ netische, ferroelektrische und piezoelektrische Substanzen) auf einem vorbereiteten, für den jeweiligen Zweck geeigneten Substrat zu deponieren. Hierbei werden globale Techniken, die eine flächenhafte Belegung makroskopischer Substratbereiche mit steuerbarer Belegungsdichte gestatten, und lokale Techniken unter Einbeziehung der Raster­ sondenmikroskopie, welche die Erzeugung einzelner oder ge­ zielt weniger Teilchen zum Inhalt haben, unterschieden.

Beispielhaft werden im folgenden je zwei Verfahren für glo­ bale und lokale Techniken aufgeführt. Als flächendeckende (globale) Verfahren gelten das Edelgasverfahren und die naß­ chemische Kolloidbildung, die unabhängig vom Rastersonden­ mikroskop zur Bildung von Nanoteilchen führen. Die lokalen Verfahren setzen den Einsatz geeigneter Rastersondenspitzen voraus und umfassen die stimulierte Zersetzung organome­ tallischer Verbindungen und den feldinduzierten Transfer von Spitzenmaterial, wobei die Bildung von Teilchen im unmittel­ baren Einflußbereich der Spitze erfolgt.

Nachfolgend werden die vier Verfahren kurz beschrieben:

• (a) Bei dem Edelgasverfahren, deren früher Vorgänger von A.H. Pfund 1930 beschrieben wurde [Rev. Sci. Instr. 1 (1930) 397; Phys. Rev. 35 (1930) 1434], werden eine oder gleichzeitig mehrere Substanzen in Gegenwart eines thermalisierenden Restgases (bevorzugt Helium) ther­ misch verdampft, wobei der Dampf durch interatomare Stöße mit den Restgasatomen abkühlt, in einen übersät­ tigten Zustand gelangt und über homogene Keimbildung zu kleinen Teilchen kondensiert, deren Größe durch ver­ schiedene Parameter (Art und Druck des Edelgases, Ver­ dampfungsrate, Abmessungen der Kondensationsstrecke) gesteuert werden kann. Die so geformten Teilchen schla­ gen sich dann auf der Substratoberfläche nieder und bleiben haften. Die Belegungsdichte auf einer Substrat­ oberfläche kann dabei von sehr gering (gut voneinander getrennte Teilchen) über einen "granularen Film" bis hin zu einer vollständigen, im Bedarfsfalle auch mehr­ lagigen Bedeckung variiert werden.
• (b) Mit Hilfe des naßchemischen Kolloidverfahrens gewinnt man insbesondere halbleitende Komponententeilchen be­ stehend aus Elementen der Gruppen II-VI (z. B. CdS), IV-VI (z. B. PbS), III-V (z. B. GaAs) und IV-IV (Si, Ge). Das Verfahren basiert auf inaktiven Fällungsprodukten und postpräparativen Separationstechniken. Zur Teilchenherstellung werden flüssige oder gasförmige Ausgangssubstanzen, welche die gewünschten Elemente enthalten, in geeigneten Konzentrationen entsprechenden Lösungen beigemengt. Die Lösungen haben zum einen die Funktion, die Elemente zu Komponentenhalbleitern zusammenzuführen und andererseits die gebildeten Teilchen zur Stabilisierung mit einer Schutzhülle zu umgeben. Durch diese Ummantelung wird die Tendenz zur Teilchenagglomeration unterbunden.
• (c) Die stimulierte Zersetzung organometallischer Verbindun­ gen durch Einwirkung von elektrischem Feld und Strom­ dichte, zwischen Mikroskopspitze und Substratoberfläche, die simultan über einen geeigneten kurzen Spannungspuls molekülspaltende Schwellenwerte überschreiten können, liefert Teilchen aus dem entsprechenden Metall. Die Parameterwahl des Spannungspulses (Amplitude, Dauer und Polarität) sowie die Geometrie der Elektrode (hier die Rastersondenspitze) steuern den Bildungsprozeß der Teilchen, wodurch sich die Dimensionen der Abscheidungen gezielt einstellen lassen. Zudem kann eine Molekülzersetzung mittels Licht (z. B. Laser) induziert werden, wie es in der EP-A-0861008 beschrieben ist, wodurch nanometrische metallische Leiterbahnen mit dem Rasternahfeldmikroskop herstellbar sind.
• (d) Beim feldinduzierten Transfer von Material aus der Mikroskopspitze wird ein Teilchen dadurch geformt, daß zwischen Spitze und Substrat ein hinreichend starker, kurzzeitiger Spannungspuls (hohes elektrisches Feld, hohe Stromstärke zur Materialerweichung) angelegt wird, so daß das Material der Spitze auf der Unterlage abge­ schieden wird. Die Strukturgröße kann auch hier über die Pulsparameter (Dauer, Amplitude und Polarität) in weiten Grenzen gezielt variiert werden (hier ausgenommen der Einsatz des Rasternahfeldmikroskops).

Mit den genannten Verfahren lassen sich die wichtigen Sub­ stanzklassen (Metalle, Halbleiter, Halbmetalle und Isolato­ ren) und der gesamte für Nanostrukturen interessante Teil­ chengrößenbereich abdecken.

Aus der internationalen Patentanmeldung mit dem internatio­ nalen Aktenzeichen PCT/CH87/00 166 ist ein Verfahren zur Elektronenstrom-induzierten irreversiblen Phasenumwandlung von Substratmaterialien, z. B. von amorph in kristallin, bekannt. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht in der mangelnden Flexibilität.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegen­ den Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaf­ fen, das es ermöglicht, Strukturen aus Nanoteilchen zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und gemäß Anspruch 2 gelöst.

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Erzeugen von Nanostrukturen auf einem Substrat mit folgenden Schrit­ ten:

• a) Anordnen einer Mehrzahl von Nanoteilchen auf dem Sub­ strat; und
• b) Verschmelzen ausgewählter Nanoteilchen miteinander und/oder mit dem Substrat.

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Erzeugen von Nanostrukturen auf einem Substrat, mit folgenden Schrit­ ten:

• a) Anordnen einzelner oder mehrerer Nanoteilchen auf dem Substrat; und
• b) Positionieren ausgewählter Nanoteilchen zur Definition einer funktionellen Struktur oder eines elektronischen Bauelements.

Erfindungsgemäß bestehen die Nanoteilchen aus Metallen, Halbleitern, Halbmetallen und Isolatoren (einschließlich Ferroelektrika), die wahlweise chemisch homogen oder Molekülkristalle oder Legierungen sind.

Der Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß im Gegensatz zu den aufwendigen, konventionellen Lithographie­ techniken die Integration im Sub-Mikrometer-Bereich ermög­ licht wird, wobei das erfindungsgemäße Verfahren schnell, kostengünstig und effektiv ist.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht dar­ in, daß sie die Entwicklung kleinster elektronisch funktio­ neller Strukturen ermöglicht, indem verfügbare flexible, wirtschaftliche und umweltfreundliche Substratvorbereitungs- bzw. Präperationstechniken zu deren Erzeugung nutzbar ge­ macht werden.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß aufgrund der unver­ gleichbaren Flexibilität dieser technologischen Verfahren die Möglichkeit besteht, Strukturen für sehr spezifische An­ forderungen zu entwickeln.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß Nanostrukturen direkt entsprechend gewünschter Vorgaben "geschrieben" werden können, wodurch zur Strukturerzeugung nicht mehrere, streng aufeinander abgestimmte Prozeßschritte erforderlich sind, wie sich heute üblicherweise in der Halbleitertechnologie etabliert sind.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht dar­ in, daß sich Strukturdimensionen herstellen lassen, die mit Hilfe der konventionellen Lithographieverfahren nicht her­ stellbar sind.

Wiederum ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung be­ steht darin, daß bei den verschmolzenen Strukturen der Ein­ schluß von Kontaminationen, wobei die häufigsten Verunreini­ gungen durch Sauerstoff oder Kohlenstoff gegeben sind, ver­ nachlässigbar ist, da sowohl die Herstellung der Nanoteil­ chen als auch der Verschmelzungsvorgang und das Verschieben von Teilchen mit dem Rastertunnelmikroskop unter sauberen Vakuumbedingungen erfolgen. Der Einbau von Verunreinigungen würde z. B. zu einer Erhöhung des Widerstandes bei elektrischen Leiterbahnen führen. Prinzipiell kann jedoch das Verschweißen und das Verschieben der Teilchen ebenso in Gegenwart verschiedener Schutz-Gase oder unter atmosphärischen Bedingungen durchgeführt werden.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht dar­ in, daß die durch Nanoteilchen erzeugten Strukturen auch bei Raumtemperatur auf dem Substrat stabil haften.

Ferner kann das Verfahren der Mustererzeugung automatisiert werden.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß neben festen auch bewegliche Teilchen zur Verfügung stehen, wodurch ebenso auch definierte Lücken zwischen benachbarten Nanoteilchen eingestellt werden können. Damit bleiben synthetisierte Strukturen vollkommen flexibel und modifikationsfähig.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß funktionelle Strukturen aus Nanoteilchen aufgebaut werden können, deren Funktionsweise in einem weiten Temperaturbereich auf Ein-Elektronen-Effekten beruhen.

Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung bestehen in der flexiblen Arbeitsweise, der raschen Anpassung der Strukturen an spezifische Erfordernisse, der Einsatz von unter­ schiedlichen Teilen als Teilstrukturen mit Abmessungen vornehmlich im Nanometerbereich, der Aufbau von Heterostruk­ turen auf kleinstem Raum aus Teilchen mit unterschiedlicher Größe und Materialbeschaffenheit sowie die Erzeugung von räumlichen, flächenhaften und quasi-eindimensionalen (line­ aren oder verzweigten) Anordnungen aus Teilchen bzw. Nano­ teilchen. Verglichen mit einzelnen Atomen, die auf entspre­ chend präparierten Oberflächen deponiert werden, sind die Nanoteilchen selbst bei Raumtemperatur genügend stark an die Unterlage gebunden, was eine grundlegende Voraussetzung für zukünftige Anwendungspotentiale darstellt.

Weitere bevorzugte Ausbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.

Nachfolgend werden anhand der beiliegenden Zeichnungen be­ vorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung nä­ her beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine topographische Darstellung einer auf atomarer Skala glatten Si(111): H-Oberfläche;

Fig. 2 eine topographische Darstellung eines Siliziumsub­ strats, das mit einer Schicht von nanometergroßen Silber-Teilchen bedeckt ist;

Fig. 3 eine topographische Darstellung einer mit Silber-Nano­ teilchen belegten Substratoberfläche, bei der an einem Ort einzelne Nanoteilchen verschmolzen sind;

Fig. 4 eine topographische Darstellung einer mit Silber-Teilchen beschichteten Oberfläche, mit zwei Linien­ strukturen, die durch eine Verschmelzung erzeugt wurden;

Fig. 5 eine schematische Darstellung des Verschiebens ein­ zelner Nanoteilchen; und

Fig. 6 eine topographische Darstellung, die das Verschie­ ben eines Silber-Teilchens auf einem Si(111)-Sub­ strat darstellt.

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Erzeugen von Strukturen aus Nanoteilchen, die auf einem Substrat deponiert sind und verschmolzen und/oder verschoben werden. Zum Verschmelzen bzw. Verschieben der vorfabrizierten Teil­ chen findet die Rastersondenmikroskopie Verwendung, eine Sammelbezeichnung für die Rastertunnel-, Rasterkraft- und Rasternahfeldmikroskopie. Die Strukturerzeugung dient dazu, durch die Kombination verschiedener Vorbereitungs-Prä­ parationsverfahren für kleinste Festkörper höchster Reinheit eine Technologie für anwendungsspezifische Bauelemente zu schaffen, die mit herkömmlichen Verfahren, wie beispielsweise der Photo-Lithographie, nicht erreichbar ist.

Die nachfolgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungs­ beispiele der vorliegenden Erfindung erfolgt anhand des Modellsystems Silber auf einem Si(111)-Substrat unter Ein­ satz der Rastertunnelmikroskopie. Es wird jedoch nochmals darauf hingewiesen, daß anstelle von Silber andere Materialien verwendet werden können, genauso wie anstelle der Rastertunnelmikroskopie auch beispielsweise die Rasterkraft- oder Rasternahfeldmikroskopie verwendet werden können.

In der nachfolgenden Beschreibung werden als "Nanoteilchen" oder kurz "Teilchen" kleinste Festkörper mit Abmessungen von wenigen Nanometern, bevorzugterweise im Bereich unterhalb von 0,1 µm, bezeichnet.

Abhängig von den zu erzeugenden Strukturen ist es unbedingt zweckmäßig, diese auf einem geeigneten Träger oder Substrat zu deponieren. Die Wahl des Substrats sowie die Art der Vorbereitung seiner Oberfläche hängen von der jeweils technologischen Zielsetzung ab.

Im folgenden wird die Präparation des Substratmaterials zur Erzielung einer atomar glatten Substratoberfläche beispiel­ haft anhand der naßchemischen Behandlung eines Si(111)-Wa­ fers in gepufferter Flußsäure skizziert. Bei einem Fehlori­ entierungswinkel des Si-Wafers zwischen 0,2-0,5° aus der exakten [111]-Orientierung läßt sich mit einer leicht alka­ lischen Lösung (40% NH₄F, pH-Wert = 8) die atomare Stufen- Terrassen-Struktur der Si-Oberfläche freilegen, wie die Ra­ stertunnelmikroskop (RTM)-Aufnahme in Fig. 1 zeigt. Die Größe des Bildausschnitts erstreckt sich über 500 × 500 nm². Die Stufenhöhe beträgt 0,31 nm und entspricht einer Doppel­ lage aufeinanderfolgender Netzebenen in der [111]-Richtung; die mittlere Terrassenbreite wurde zu ca. 72 nm ermittelt, was einem Fehlorientierungswinkel von ≈ 0,25° entspricht. Dreiecksförmige Vertiefungen (Ätzlöcher) auf den Terrassen spiegeln die dreifache Rotationssymmetrie der [111]-Oberflä­ che wider.

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Teilchen bzw. Nanoteilchen auf einem Substrat aufgebracht, dessen Rauhigkeit zweckgebunden sein muß.

Der Begriff "Teilchen" wird hier stellvertretend verwendet für Festkörper aus hinreichend vielen Atomen, um Eigenschaf­ ten aufzuweisen, die das Einzelatom nicht besitzt (z. B. Leitfähigkeit oder Schmelztemperatur) [P. Marquardt: Size- Governed Dielectric Properties of Matrix-Isolated and Perco­ lating Mesoscopic Conductors, J. Electromagn. Waves and App­ lications 6 (1992) 1197]. Damit beinhaltet der Begriff des Teilchens auch das "Cluster", welches aus weniger als 100 Atomen bestehen kann. Teilchen mit Abmessungen oberhalb 1 nm bestehen aus mehr als 100 Atomen und weisen den Vorteil auf, daß sie auch bei Zimmertemperatur auf dem Substrat eine sta­ bile Lage einnehmen. Von Teilchen aus leitenden Materialien ist bekannt, daß sie spezifische elektronische Eigenschaften aufweisen, die für die moderne Elektronik und Signaltechnik von großer Bedeutung sind. Aufgrund ihrer Abmessungen ist ihre resultierende Kapazität C sehr klein (typisch sind 10^-18 Farad für ein Metallteilchen mit einem Durchmesser von ≈ 10 nm) und damit die Ladungsenergie e²/2C hinreichend groß, um einen spezifischen Ladungszustand auch bei Zimmer­ temperatur aufrechtzuerhalten. Einzel-Elektronenprozesse wie Coulomb-Blockade und Coulomb-Staircase [z. B. C. Schönenberger, H. van Houten, J. M. Kerkhof, H. C. Donkersloot: Single-Electron Tunneling in Double-Barrier Junctions by Scanning Tunneling Microscopy, Appl. Surf. Sci. 67 (1993) 222; D. Anselmetti, T. Richmond, A. Baratoff, G. Borer, M. Dreier, M. Bernasconi, H. -J. Güntherodt: Single- Electron Tunnelling at Room Temperature with Adjustable Double-Barrier Junctions, Europhys. Lett. 25 (1994) 297]; resonantes Tunneln infolge des Quantengrößeneffekts in Halb­ leiterpunkten [z. B. M. A. Reed, J. N. Randall, J. H. Luscom­ be, Y. -C. Kao, T. M. Moore, W. R. Frensley, R. J. Matyi: Semiconductor Quantum Dot Resonant Tunneling Spectroscopy, Atomic and Nanoscale Modification of Materials: Fundamentals and Applications, NATO ASI Series E 239, Editor: Ph. Avouris (Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 1993) 227ff.] sowie der quantisierte Widerstand h/2e² [z. B. J. I. Pascual, J. M´ndez, J. Gómez-Herero, A. M. Baró, N. Garca, Vu Thien Binh: Quantum Contact in Gold Nanostructures by Scanning Tunneling Microscopy, Phys. Rev. Lett. 71 (1993) 1852; N. Agrat, J. G. Rodrigo, C. Sirvent, S. Vieira: Atomic-Scale Connective Neck Formation and Characterization, Phys. Rev. B 48 (1993) 8499] sind weitere für die moderne Mikroelektronik wichtige Eigenschaften und Effekte im Zusammenhang mit Teil­ chen oder Quantenpunkten. Das Anwendungspotential der klei­ nen Festkörper kann im Sinne der Erfindung am besten ausge­ schöpft werden, wenn daraus Heterostrukturen gebildet wer­ den.

Am Beispiel des Modellsystems regellos verteilter individu­ eller Ag-Nanoteilchen werden hier anhand des Edelgasverfah­ rens die zwei neuartigen Techniken erläutert, die sich zur Herstellung von nanometrischen Strukturen eignen, wobei sich die Ausgangssituationen für die Strukturerzeugung jeweils durch die verschiedenen Teilchenbelegungsdichten auf dem Substrat unterscheiden:

• (1) Erzeugen von Strukturen durch lokales Verschmelzen von Teilchen zu festen Strukturen;
• (2) Gezieltes Positionieren einzelner Teilchen mit dem Sensor eines Rastersondenmikroskops.

Die Durchführung der im nachfolgenden beschriebenen Experi­ mente am oben bezeichneten Modellsystem sowie deren Be­ schreibung erfolgen unter Verwendung eines Rastertunnelmik­ roskops. Auf die entsprechenden anderen Mikroskoptypen wird jeweils kurz Bezug genommen.

Das Rastertunnelmikroskop (RTM) ist ein Mitglied der Familie der Rastersondenmikroskope und wird hauptsächlich zur hochauflösenden Abbildung (vgl. Fig. 1) sowie zur Charakterisierung kleinster leitfähiger Strukturen eingesetzt [z. B. Scanning Tunneling Microscopy 1, Editoren: H.-J. Güntherodt und R. Wiesendanger (Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1992)]. Bei diesem Verfahren wird eine extrem scharfe Metallspitze auf einen Abstand von etwa 1 nm an die zu untersuchende Probenoberfläche herangeführt. Wird zusätzlich eine elektrische Spannung zwischen Spitze und dem elektrisch leitenden Substrat angelegt, so fließt ein ("Tunnel")-Strom. Der Betrag dieses Stroms hängt exponentiell vom Abstand ab und dient als Regelgröße. Während die Spitze mittels piezoelektrischer Stellglieder rasterförmig über das Substratmaterial geführt wird, sorgt eine Regelschleife für konstanten Stromfluß - gleichbedeutend mit einer Konstanz des Abstandes zwischen Spitze und Probenoberfläche; es entsteht eine quasi-dreidi­ mensionale Abbildung der Substratmorphologie. Zur elektri­ schen Charakterisierung werden bei abgeschaltetem Rasterbetrieb und ausgeschalteter Regelschleife Strom-Spannungs- (I-U)-Kennlinien aufgezeichnet. Erfüllen die untersuchten Nanostrukturen gewisse Voraussetzungen, so liefern die I-U-Kennlinien wertvolle Informationen z. B. über Einzel-Elektronenprozesse.

Mit Hilfe des oben beschriebenen Edelgasverfahrens können nanometergroße Teilchen rasch und einfach hergestellt wer­ den. In einer separaten Präparationskammer wird die gewün­ schte Substanz (hier Silber) in Gegenwart von He verdampft. Die Teilchen bilden sich über homogene Keimbildung, schlagen sich auf einem Substrat nieder und bleiben dort aufgrund der van der Waals-Wechselwirkung haften. Nach Abschluß des Kon­ densationsvorganges wird das He wieder abgepumpt. Das mit Teilchen bedeckte Substrat wird über eine Schleuse unter Hochvakuum in den Rezipienten mit dem Tunnelmikroskop trans­ feriert. Fig. 2 zeigt einen Bildausschnitt von 300 × 300 nm² einer ganz flächig deponierten Schicht, die aus individuellen Ag-Teilchen zusammengesetzt ist. Ungefähr zwei Lagen von Ag-Teilchen mit einer Größenverteilung von 3 bis 10 nm be­ decken das Si-Substrat.

Mit Hilfe eines RTM lassen sich erfindungsgemäß einzelne auf dem Substrat abgeschiedene Nanoteilchen mittels zweier unterschiedlicher Techniken lokal miteinander verschmelzen:

• (1) Anlegen kurzzeitiger Spannungspulse geeigneter Dauer, Amplitude und Polarität zwischen Spitze und Substrat ("ac"-Verfahren) oder (2) kontrolliertes Erhöhen der Tunnelspannung und/oder des Tunnelstroms ("dc"-Verfahren). Bei gleichzeitigem Führen der Spitze parallel zur Substrat­ oberfläche können mit diesen Techniken z. B. nanometrische Leiterbahnen oder punktförmige Strukturen hergestellt wer­ den, da Teilchen, die nicht am Verschmelzungsprozeß teilnehmen, sich leicht entfernen lassen (z. B. durch die Spitze selbst, Pinsel, Druckluft, elektrostatische Kräfte, usw.). Dieses direkte Herstellungsverfahren von elektrischen Leiterbahnen läßt sich sowohl im Vakuum, in Gegenwart verschiedener Gase wie auch unter Umgebungsbedingungen, bei tiefen und bei hohen Temperaturen, ausführen. Durch den Verschmelzungsprozeß entstehen größere und kompaktere Strukturen, die auf dem Substrat genügend fest haften. Dabei lassen sich ein- und zweidimensionale Gebilde erzeugen, die, falls keine Unterbrechungen während des Verschmelzungsvor­ gangs entstehen, elektrisch leitende Pfade darstellen. Durch die Möglichkeit, die RTM-Spitze nach vorgegebenen Mustern computergesteuert über die Oberfläche zu rastern, kann zudem der Prozeß der Strukturerzeugung automatisiert werden. Ein Beispiel für eine punktförmige Strukturerzeugung mittels "ac"-Verfahren ist in Fig. 3 wiedergegeben (Spannungspuls­ amplitude: +15 V an das Substrat gelegt; Pulsdauer: 10^-4 s). Der modifizierte Bereich befindet sich etwas rechts von der Bildmitte und mißt ca. 30 nm im Durchmesser (Schnittpunkt der beiden entstehenden Geraden bei gedachter Verlängerung der Pfeile).

Bei den in Fig. 4 dargestellten Strukturen wurden beispiels­ weise die Tunnelspannung auf 10 V und der Tunnelstrom auf 0.5 nA kontrolliert erhöht ("dc"-Verfahren), während die RTM-Spitze mit einer Schreibgeschwindigkeit von 25 nm/s über die Oberfläche bewegt wurde. Die Breite der erzeugten Linien beträgt ungefähr 15 nm über eine Länge von ca. 0,5 µm. In­ stabilitäten, die während der Aufnahme erfolgten (oberer Bildteil), resultieren von lokalen Veränderungen an der RTM-Spitze.

Über die Anzahl der abgeschiedenen Teilchenlagen kann die Dicke der verschmolzenen Gebiete kontrolliert werden (mehr­ lagige Bedeckungen für stärkere Strukturen lassen sich mit dem Edelgasverfahren leicht realisieren). Die nicht am Ver­ schmelzungsprozeß beteiligten Nanoteilchen lassen sich eben­ so in diesem Fall z. B. durch wiederholtes Abrastern mit der RTM-Spitze, aber auch durch elektrostatische Kräfte sowie auf rein mechanische Weise mit Hilfe von Druckluft oder einem Pinsel entfernen. Zurück bleibt das lokal zu einer festen Struktur verschmolzene Material.

Die Teilchenverschmelzung mittels beider Techniken ("ac", "dc") kann ebenso mit einem Rasterkraftmikroskop, das mit einem leitfähigen Sensor ausgestattet ist, bewerkstelligt werden. Beim Rasternahfeldmikroskop läßt sich die Intensität des Lichtstrahls ebenso pulsen oder permanent erhöhen, so daß auch mit diesem Typ der Rastersondenmikroskopie die Teilchenverschmelzung durchführbar ist.

Wie bereits oben beschrieben wurde, kann durch geeignete Wahl der Präparationsparameter auch eine geringe Oberflä­ chenbelegung des Substrates eingestellt werden, so daß keine geschlossene Schicht des verdampften Materials vorliegt, sondern nur abzählbar viele Teilchen auf der Unterlage depo­ niert werden und sich im Aktionsfeld des RTM befinden. Diese Teilchen haften an der Substratoberfläche mit einer Kraft, die sich aus der Wechselwirkung zahlreicher physikalischer und chemischer Komponenten ergibt: z. B. Teilchengröße, Teil­ chenmaterial, Oberflächenbeschaffenheit der Teilchen, Teil­ chenladung, Material und Oberflächenbeschaffenheit des Sub­ strates (Kontamination, Oxid, Stufendichte, Defektdichte). Durch gezieltes Annähern der Tunnelspitze an ein Teilchen, z. B. infolge einer Reduktion der Tunnelspannung, einer Er­ höhung des Tunnelstroms oder einer rein mechanischen Ab­ standsverringerung, kann sich die Wechselwirkung zwischen Spitze und Teilchen derart erhöhen, daß einzelne Teilchen mit der Spitze aufgenommen werden können ("pick-up"-Verfah­ ren). Die Tunnelspitze kann nun über einem beliebigen Ort der Oberfläche positioniert werden, um dort das Teilchen durch einen Spannungspuls geeigneter Größe und Dauer wieder zu deponieren. Das hier beschriebene Verfahren zum gezielten Positionieren einzelner Nanoteilchen ist in Fig. 5 skiz­ ziert.

Die Aufnahme eines Teilchens geschieht durch gesteuertes Annähern der RTM-Spitze 500. Nach dem Positionieren kann das Teilchen bzw. Nanoteilchen 502 durch Annähern der Spitze 500 an die Substratoberfläche 504 und einen darauffolgenden Spannungspuls wieder auf der Unterlage deponiert werden.

Wie es in Fig. 5 dargestellt ist, wird im Schritt 1 die Spitze 500 über dem Nanoteilchen 502 positioniert und im Schritt 2 die Spitze 500 angenähert, wie dies durch den Pfeil dargestellt ist. Im Schritt 3 wurde das Teilchen 502 aufgenommen und die Spitze wird etwas von dem Substrat 504 entfernt und über einen gewünschten Ort gebracht, wie dies durch die Pfeile zwischen den Schritten 2 und 3 und den Schritten 3 und 4 angedeutet ist. Im Schritt 4 wird die Spitze der Substratoberfläche 504 genähert und das Teilchen 502 wird durch einen Spannungspuls abgestoßen.

Eine vereinfachte Version des oben geschilderten Verfahrens besteht darin, individuelle Nanoteilchen entsprechend Fig. 5 nicht aufzunehmen, sondern durch Schieben oder Ziehen mit dem Sensor eines Rastersondenmikroskops die Teilchen gezielt an vorbestimmte Positionen auf der Substratoberfläche zu bringen. Ein Beispiel hierfür ist in Fig. 6 gezeigt.

In Fig. 6 ist das Verschieben eines Ag-Teilchens auf einer Si(111)-Unterlage mit Hilfe einer RTM-Spitze dargestellt. Das untere Nanoteilchen (Fig. 6a) wurde von der rechten auf die linke Bildhälfte verschoben (Fig. 6b) und bildet nun eine Linie mit dem oberen Teilchen. Das verschobene Teilchen bleibt auf der neuen Position haften und kann mit dem RTM erneut abgebildet werden. Der Bildausschnitt in Fig. 6 be­ trägt 160 × 160 nm².

Unter Ausnutzung beider Positionierverfahren ("pick-up"-Ver­ fahren, bloßes Schieben oder Ziehen) lassen sich künstliche funktionale Systeme (0-, 1-, 2- und 3-dimensional) im Nano­ meterbereich Schritt für Schritt synthetisieren. Der ent­ scheidende Vorteil gegenüber konventionellen mikroelektroni­ schen Bauelementen liegt darin, daß die Eigenschaften dieser Systeme anwenderspezifisch abgestimmt und nachträglich wie­ der verändert werden können. Vielfältige Anwendungsmöglich­ keiten ergeben sich in den Bereichen Elektronik, Sensorik, Umwelttechnik, Optoelektronik, sowie in allen Gebieten, bei denen festgefügte und auch bewegliche Teilchenstrukturen mit ihrem spezifischen Eigenschaftsspektrum vorteilhaft einge­ setzt werden können.

Im übertragenen Sinne können sowohl der Sensor des Raster­ kraftmikroskops als auch derjenige des Rasternahfeldmikros­ kops dazu verwendet werden, Teilchen durch Aufnehmen oder bloßes Schieben bzw. Ziehen an beliebige Positionen auf der Substratoberfläche zu deponieren.

Mit Hilfe der oben beschriebenen Verfahren (Verschmelzen, Positionieren), die auch miteinander kombiniert werden können, ist es erstmals möglich, anwenderspezifische Na­ nostrukturen in einem Arbeitszyklus zu erzeugen, zu charak­ terisieren und nachträglich zu manipulieren, um sie aktiv innerhalb eines Entwicklungsprozesses einer Forderung an zu­ passen. Die erfindungsgemäßen Verfahren bieten erstmals die Möglichkeit, Heterostrukturen aus festgefügten und beweg­ lichen Teilchen sowie unter Verwendung chemisch identischer oder chemisch verschiedener, gleich großer oder unterschied­ lich großer Teilchen zu bilden und zu charakterisieren. Der mögliche Zugriff auf mehrere, sich zum Teil ergänzende Prä­ parationstechniken sowie der Einsatz der Rastersondenmikro­ skopie verleiht dieser neuartigen Technologie eine besondere Flexibilität.

Es wird darauf hingewiesen, daß bei der Verwendung eines Ra­ stertunnelmikroskops zum Verschmelzen ausgewählter Nano­ teilchen die Dauer, Amplitude und Polarität der Spannungspulse gemäß vorbestimmter Parameter eingestellt sind. Ebenso kann die Spannung und der Strom gesteuert erhöht werden, um den Verschmelzungsvorgang zu initiieren. Beide Verfahrensweisen gelten ebenso bei der Verwendung eines Rasterkraftmikroskops.

Wird anstelle der oben genannten Einrichtungen ein Raster­ nahfeldmikroskop zum Verschmelzen verwendet, so sind bei diesem die Dauer und Intensität der Lichtpulse entsprechend vorbestimmter Parameter einzustellen bzw. eine gesteuerte Erhöhung der Lichtintensität herbeizuführen. Um eine Verschiebung der Nanoteilchen herbeizuführen, wird im Fall eines Rasternahfeldmikroskops der Abstand des Sensors zu den Nanoteilchen in geeigneter Weise modifiziert.

Zum Verschieben der Nanoteilchen mit dem RTM muß der Abstand zwischen Spitze und Nanoteilchen in geeigneter Weise verkleinert werden. Im Falle des Rasterkraftmikroskops muß gegebenenfalls die Andrückkraft des Sensors entsprechend erhöht werden.

Wie es bereits oben ausgeführt wurde, können die verwendeten Nanoteilchen chemisch identisch oder chemisch unterschied­ lich und von gleicher oder unterschiedlicher Größe sein.

Die durch das erfindungsgemäße Verfahren erzeugten Strukturen können neben festen Teilchen auch bewegliche Teile umfassen.

Es wird darauf hingewiesen, daß die synthetisierten Strukturen, die gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt werden, aus monoatomaren und/oder polyatomaren Teilchen bestehen, wobei diese sowohl Legierungen als auch Verbindungen einschließen.

Gemäß einem weiteren nicht dargestellten Ausführungsbeispiel wird durch das erfindungsgemäße Verfahren, bei dem einzelne Nanoteilchen verschoben werden, eine Kette aus Nanoteilchen aufgebaut, die sogenannte Ein-Elektron-Effekte aufweist, die aufgrund der kleinen Abmessungen auftreten. Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem die Nano­ teilchen verschoben werden, besteht darin, daß beispiels­ weise die gerade erwähnte Kette nicht starr und unveränder­ lich ist, sondern vielmehr nach deren Zusammenstellung er­ neut verändert werden kann, indem beispielsweise aus der Kette ein bestimmtes Nanoteilchen entfernt und durch ein anderes Nanoteilchen ersetzt wird. Dies ermöglicht es beispielsweise die Charakteristika bestimmter Ketten abhän­ gig von den in der Kette angeordneten Nanoteilchen, die aus einem der oben beschriebenen Materialien bestehen können, zu untersuchen.

Claims (22)

1. Verfahren zum Erzeugen von Nanostrukturen auf einem Substrat (504), gekennzeichnet durch folgende Schritte:

• a) Anordnen einer Mehrzahl von Nanoteilchen auf dem Substrat;
• b) Verschmelzen ausgewählter Nanoteilchen miteinander und/oder mit dem Substrat.

2. Verfahren zum Erzeugen von Nanostrukturen auf einem Substrat (504), gekennzeichnet durch folgende Schritte:

• a) Anordnen einzelner oder mehrerer Nanoteilchen (502) auf dem Substrat (504); und
• b) Positionieren ausgewählter Nanoteilchen (502) zur Definition einer funktionellen Struktur oder eines elektronischen Bauelements.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Schritt b) unter Verwendung der Rastersondenmi­ kroskopie ausgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rastersondenmikroskopie mittels eines Raster­ tunnelmikroskops durchgeführt wird, wobei die Dauer, Amplitude und Polarität der Spannungspulse gemäß vor­ bestimmter Parameter eingestellt ist.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rastersondenmikroskopie mittels eines Raster­ kraftmikroskops ausgeführt wird, wobei die Dauer, Am­ plitude und Polarität der Spannungspulse gemäß vorbe­ stimmter Parameter eingestellt ist.

6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rastersondenmikroskopie mittels eines Raster­ nahfeldmikroskopes durchgeführt wird, wobei die Dauer und Intensität der Lichtpulse gemäß vorbestimmter Pa­ rameter eingestellt ist.

7. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeich­ net, daß der Schritt b) das gesteuerte Erhöhen von Spannung und Strom umfaßt.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt b) das gesteuerte Erhöhen der Lichtintensität umfaßt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Nanoteilchen chemisch identisch und von gleicher oder unterschiedlicher Größe sind.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Nanoteilchen chemisch unterschiedlich und von gleicher oder unterschiedlicher Größe sind.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die erzeugte Struktur bewegliche Teile und/oder definierte Lücken umfaßt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die erzeugte Nanostruktur aus monoatomaren und/oder polyatomaren Teilchen einschließlich Legierungen und Verbindungen besteht.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Nanoteilchen aus Metall, Halbleitermaterial, Halbmetallen und/oder Isolatoren einschließlich Ferroelektrika bestehen.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat eine Oberfläche aufweist, wobei Sub­ stratart und Vorbereitung der Substratoberfläche abhän­ gig von der zu erzeugenden Struktur ausgewählt sind.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat eine zweckgebundene Rauhigkeit aufweist.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat entweder oberflächenpassiviert oder unpassiviert ist.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat elektrisch leitfähig oder isolierend ist und damit aus einem Metall, Halbmetall, Halbleiter oder Isolator einschließlich Ferroelektrika besteht.

18. Verfahren nach einem Ansprüche 2 bis 17, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Schritt b) den Aufbau einer Kette mit Ein- Elektron-Effekten aus Nanoteilchen umfaßt.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 17, gekenn­ zeichnet durch folgenden Schritt c) Verschieben ausgewählter Nanoteilchen und Ersetzen dieser durch andere Nanoteilchen.

20. Verfahren nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Nanoteilchen gleichmäßig über die gesamte Sub­ stratoberfläche angeordnet sind.

21. Verfahren nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Nanoteilchen nur auf vorbestimmten Bereichen der Substratoberfläche angeordnet sind.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Nanoteilchen aus Silber bestehen.