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Die
Erfindung betrifft ein Bauteil für
die Nano- und Molekularelektronik.
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Ein
Halbleiterbauelement besteht aus einem Substrat, auf das signalverarbeitende
halbleitende Strukturen aufgebracht sind. Diese signalverarbeitenden
Strukturen sind durch metallische Leiterbahnen miteinander verbunden.
In der Molekularelektronik treten einzelne Moleküle an die Stelle halbleitender
Strukturen. Damit durch Umwelteinflüsse weder die verarbeiteten
Signale verfälscht
noch die empfindlichen Leiterbahnen beim Aufbringen der Moleküle zerstört werden,
wird das Bauelement mit einer Schutzschicht versehen. In der Molekularelektronik muss
sichergestellt sein, dass das Lösungsmittel,
mit dessen Hilfe Moleküle
vielfach in elektronische Bauelemente eingefügt werden, keine Kurzschlüsse der Leiterbahnen
verursacht.
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Typischerweise
wird die Schutzschicht mittels PECVD (plasmaenhanced chemical vapour
deposition) oder LPCVD (low Pressure chemical vapour deposition)
hergestellt. Dieser Prozess ist sehr aufwändig und erfordert Reaktionstemperaturen
zwischen 150 °C
und 600 °C,
was das Einsatzfeld drastisch einschränkt. Zudem sind die entstehenden Schichten
nicht beständig
gegen aggressive Gase oder Flüssigkeiten,
wie beispielsweise Schwefelsäure
oder Salzsäure.
Das nachträgliche
Entfernen eines Teils der Beschichtung, beispielsweise um definierte
elektrische Kontakte mit der Außenwelt
herzustellen, ist nur schwer möglich
und erfordert den Einsatz zusätzlicher
Strukturierungsverfahren. Hierfür wird
beispielsweise Elektronenstrahllithographie verwendet.
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Durch
Spin-Coating herstellbare Schichten sind zwar schneller und einfacher
herzustellen, weisen aber häufig
unter mechanischer, elektrischer oder chemischer Beanspruchung nach
kurzer Zeit Risse auf. Gasartige oder flüssige Substanzen können so
unkontrolliert auf die Bauteiloberfläche vordringen und die Signalverarbeitung
stören.
Im Bereich der Nano- und Molekularelektronik können die Störungen in der Größenordnung
des verarbeiteten Signals oder sogar darüber liegen.
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Aus
der
US 3,934,057 ist
ein Substrat mit einer darauf aufgebrachten Struktur sowie einer
Substrat und Struktur bedeckenden Grundschicht aus einem Polymethylmethacrylat
bekannt. Auf der Grundschicht ist mindestens eine Schutzschicht
aus einem anderen Polymethylmethacrylat angeordnet, wobei die Kettenlänge des
Polymethylmethacrylats in der Schutzschicht mindestens fünfmal so
groß ist
wie in der Grundschicht.
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Es
ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Bauteil mit einer Beschichtung
zur Verfügung
zu stellen, die einfach herzustellen ist und die Bauteiloberfläche dennoch
auch unter mechanischer, elektrischer oder chemischer Beanspruchung
dauerhaft vor Umwelteinflüssen
schützt.
Dabei soll die Beschichtung insbesondere auf gängigen Halbleitersubstraten gut
haften.
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Diese
Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst durch
ein Nano- oder Molekularelektronikbauteil
gemäß Hauptanspruch.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den darauf
rückbezogenen
Unteransprüchen.
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Das
Nano- oder Molekularelektronikbauteil umfasst ein Substrat, eine
darauf aufgebrachte Struktur und eine Substrat und Struktur bedeckende polymerhaltige
Schicht, bestehend aus einer Grundschicht aus einem Polymethylmethacrylat
und mindestens einer Schutzschicht aus einem anderen Polymethylmethacrylat.
Das Substrat kann beispielsweise ein Siliziumwafer sein, dessen
oberflächennaher
Bereich durch Oxidation in elektrisch isolierendes Siliziumdioxid
umgewandelt wurde. Die Struktur kann beispielsweise eine metallische
Leiterbahn eines integrierten Schaltkreises sein.
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Die
Kettenlänge
des Polymethylmethacrylats in der Schutzschicht ist mindestens doppelt
so groß, insbesondere
mindestens fünfmal
so groß,
ist wie in der Grundschicht. Es wurde erkannt, dass die Schutzschicht
wesentlich härter
ist als die Grundschicht und sich durch diese Kombination überraschenderweise
eine Rissbildung in der Grundschicht unterdrücken lässt: Ursache für die Rissbildung
ist mechanischer Stress. Dieser entsteht beispielsweise beim Anlegen
elektrischer Spannungen an die signalverarbeitenden Bauelemente,
insbesondere an Kanten der metallischen Strukturen, die das lokale elektrische
Feld deutlich verstärken.
Mechanischer Stress und damit Risse entstehen aber auch bei thermischer
Beanspruchung durch unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten der
verwendeten Materialien. Durch die Kopplung an die harte Schutzschicht
absorbiert nun die vergleichsweise elastische Grundschicht den mechanischen
Stress unabhängig
von seiner Quelle deutlich besser als dies die Schutzschicht als
Einzelschicht könnte.
Im Ergebnis wird die Rissbildung in der Grundschicht unterdrückt, während zugleich
die Schutzschicht die Grundschicht vor aggressiven Umwelteinflüssen schützt.
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Da
die Rissbildung unterdrückt
wird, werden Störsignale,
die durch das Eindringen flüssiger
oder gasförmiger
chemischer Substanzen auf die Bauteiloberfläche oder auch durch elektrischen
Kurzschluss der Leiterbahnen bewirkt werden können, vollständig unterbunden.
Dies ist Voraussetzung dafür,
dass das Bauteil mit integrierten Biomolekülen, organischen Molekülen oder
anorganischen Clustern zur Signalverarbeitung verwendet werden kann.
Herkömmlicherweise
wird eine Rissbildung in der Grundschicht und damit ein entsprechendes
Störsignal schlichtweg
hingenommen, da die Stärke
des Störsignals
weit unterhalb der Signalstärke
heutiger technischer Anwendungen liegt. Eine Rissbildung tritt bei einem
nur mit einer Schutzschicht ausgestatteten herkömmlichen Bauteil regelmäßig auf
und lässt
sich insbesondere durch die nahe liegende Vergrößerung der Schichtdicke nicht
verhindern. Nano- oder molekularelektronische Bauelemente, wobei
Moleküle oder
Nanopartikel durch Selbstorganisation aus der Lösung in die Bauelemente integriert
werden, mit wesentlich schwächeren
Signalen als in der heutigen Elektronik sind mit herkömmlichen
Bauteilen daher nicht möglich,
da sich die Signale von Molekülen grundsätzlich mit
den Signalen aus Rissen überlagern.
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Die
Schutzschicht verbessert darüber
hinaus die Lebensdauer des Bauteils. Langkettige Polymere sind wesentlich
widerstandsfähiger
gegen aggressive Gase oder Flüssigkeiten,
wie beispielsweise Schwefelsäure
oder Salzsäure,
als kurzkettige Polymere. Zugleich decken gerade die kurzkettigen
Polymere in der Grundschicht kleinste Strukturen im Nanometerbereich
ideal dicht ab, wodurch die Haftung der Grundschicht verbessert
wird. Die Kombination zweier Polymere mit verschiedenen Kettenlängen vereint
somit die guten Haft- und Deckungseigenschaften kurzkettiger Polymere
mit der Beständigkeit langkettiger
Polymere. In herkömmlichen
Bauteilen gab es nur eine Schutzschicht, für deren Kettenlänge ein
Kompro miss gefunden werden musste.
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Die
Kettenlänge
der Polymeranteile lässt sich
beispielsweise mittels UV-Photospektrometrie am fertigen Bauteil überprüfen. Damit
ist auch in der Massenfertigung eine kostengünstige und effektive, ja sogar
berührungsfreie
Qualitätskontrolle
möglich.
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Polymethylmethacrylate
(PMMA) sind in einer Vielzahl von Ausführungsformen als Fotolacke (Photoresists)
verfügbar.
Die Elastizitäten
zweier fester Substanzen dieser Klasse verhalten sich genauso wie
die Viskositäten
dieser Substanzen im flüssigen Zustand
vor der Verarbeitung.
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Fotolacke
auf der Basis von Polymethylmethacrylat bieten darüber hinaus
den Vorteil, dass die Schichten in besonders einfacher Weise an
definierten Stellen durchbrochen werden können, um beispielsweise eine
metallische Struktur mit der Außenwelt
zu kontaktieren. Je nachdem, ob es sich um einen positiven oder
negativen Fotolack handelt, werden hierfür die Stellen belichtet, an
denen die Schicht erhalten bleiben beziehungsweise entfernt werden soll.
Durch Entwickeln des Fotolacks werden die durch die Belichtung als überflüssig gekennzeichneten
Stellen entfernt.
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Erfindungsgemäß wird die
Adhesion zwischen dem Substrat und der Grundschicht durch eine Hexamethyldisiloxan
(HMDS) umfassende Haftvermittlerschicht verbessert. Somit ist die
Anwendung der hier beschriebenen Grund- und Schutzschichten ebenfalls
z.B. auf Indiumzinnoxid (ITO), Saphir, Galliumarsenid (GaAs) etc.
möglich.
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Zusätzlich weist
die Struktur erfindungsgemäß auf der
dem Substrat zugewandten Seite eine Titanschicht und auf der der
Schutzschicht zugewandeten Seite eine Goldschicht auf. Das Titan
haftet besonders gut auf gängigen
Substraten wie beispielsweise Silizium. Gold ist dagegen ein sehr
guter elek trischer Leiter, und es ist ein Metall, das zum Kontaktieren
von thiolgruppenhaltigen Molekülen
geeignet ist. Des weiteren kann zwischen Titan- und Goldschicht
eine Diffusionsbarriere aus Platin angeordnet sein, die eine Diffusion
des Goldes durch das Titan in das Substrat verhindert.
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Vorteilhaft
beträgt
die Dicke der Grundschicht mindestens das 1,3-fache der Höhe der Struktur.
Vorteilhaft ist die Schutzschicht mindestens doppelt so dick wie
die Grundschicht. Wie sich experimentell herausgestellt hat, bewirken
diese Maßnahmen
einzeln oder auch in Kombination, dass die Rissbildung besonders
zuverlässig
verhindert wird.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Substrat
Silizium. Dieses kann zwecks elektrischer Isolation einen 100 nm
dicken, insbesondere einen mindestens 400 nm dicken Oberflächenbereich
aus Siliziumdioxid SiO2 aufweisen. Auf Silizium
beziehungsweise Siliziumdioxid haften sowohl die Grundschicht als
auch typische metallische Strukturen besonders gut.
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Im
Folgenden wird ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Bauteils
dargestellt. Bei diesem Verfahren werden sowohl das Material für die Grundschicht
als auch das Material für
die Schutzschicht nacheinander jeweils durch Spin-Coating aufgebracht
und verfestigt. Es wurde erkannt, dass dadurch ein Verbund der beiden
Materialien hergestellt werden kann, in dem sich vorteilhafte Eigenschaften
der Materialien miteinander kombinieren lassen. Beispielsweise kann
das Material der Grundschicht besonders gut auf dem Bauteil haften, während das
Material der Schutzschicht besonders widerstandsfähig gegen
Umwelteinflüsse,
wie etwa aggressive Chemikalien, ist.
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Es
werden zwei Materialien gewählt,
die sich im flüssigen
Zustand in ihren Viskositäten
um einen Faktor von mindestens 2, insbesondere um einen Faktor von
mindestens 5, unterscheiden. Es wurde erkannt, dass Eigenschaften
der festen Phase von Beschichtungsmaterialien, wie beispielsweise
dichte Bedeckung auch kleinster Strukturen, mechanische Härte oder
Widerstandsfähigkeit
gegen Umwelteinflüsse,
häufig
mit deren Viskosität
im flüssigen
Zustand korrelieren. Gewünschte
unterschiedliche Eigenschaften innerhalb des Materialverbundes lassen sich
so besonders definiert und einfach herstellen.
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Die
Beschichtungsmaterialien sind zwei Materialien aus der Klasse der
Polymethylmethacrylate. Diese Materialien sind in Form von Fotolacken
(Photoresists) mit einer großen
Bandbreite an Materialeigenschaften verfügbar. Vorteilhaft ist speziell
die Kombination dieser Materialien mit der Wahl unterschiedlicher
Viskositäten
im flüssigen
Zustand, da die Elastizität
der Polymere im festen Zustand mit der Kettenlänge im flüssigen Zustand korreliert ist.
Herstellbar ist mit diesem Verfahren beispielsweise ein Verbund
aus einer gummiartigen Grundschicht, die gut mechanischen Stress
durch thermische oder elektrische Beanspruchung aufnimmt, und einer
harten Schutzschicht, die gegen Umwelteinflüsse resistent ist. Eine solche
Verbundschicht hat für
Bauteile der Nano- und Molekularelektronik den Vorteil, dass die
verarbeiteten Signale nicht mehr durch Störsignale beeinflusst werden,
die durch an die Bauteiloberfläche
gelangende chemische Substanzen oder elektrische Kurzschlüsse ausgelöst werden.
Die Grundschicht deckt dabei auch kleinste Strukturen auf der Bauteiloberfläche dicht
ab.
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Fotolacke
auf der Basis von Polymethylmethacrylat bieten darüber hinaus
den Vorteil, dass die Schichten in besonders einfacher Weise an
definierten Stellen durchbrochen werden können, um beispielsweise eine
metallische Struktur mit der Außenwelt
zu kontaktieren. Je nachdem, ob es sich um einen positiven oder
negativen Fotolack handelt, werden hierfür die Stellen belichtet, an
denen die Schicht erhalten bleiben beziehungsweise entfernt werden soll.
Durch Entwickeln des Fotolacks werden die durch die Belichtung als überflüssig gekennzeichneten
Stellen entfernt.
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Die
Schutzschicht kann durch Ausbacken bei einer Temperatur von 200 °C oder mehr,
insbesondere bei einer Temperatur von 250 °C oder mehr, verfestigt werden.
Diese Temperatur liegt außerhalb des
Bereichs, den die Hersteller von Fotolacken auf Basis von Polymethylmethacrylat
für das
Ausbacken vorgeben. Sie bewirkt aber, dass die Schutzschicht besonders
widerstandsfähig
gegen aggressive Chemikalien wird.
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Nachfolgend
wird der Gegenstand der Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert, ohne
dass der Gegenstand der Erfindung dadurch beschränkt wird.
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Das
Substrat ist ein Silizium-Wafer, an dessen Oberfläche ein
400 nm dicker Bereich zwecks elektrischer Isolation zu Siliziumdioxid
SiO2 oxidiert ist.
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Auf
diesem Substrat werden Strukturen aufgebracht. Diese Strukturen
bestehen jeweils aus einer Schicht aus Titan, Platin und Gold. Titan
dient als Haftvermittler zum Silizium. Gold ist die eigentliche technische
Funktionsschicht. Platin dient als Diffusionsbarriere, damit das
Gold nicht durch das Titan in das Silizium diffundiert. Die Strukturen
sind insgesamt etwa 60 nm hoch. Zwischen Substrat und Grundschicht
ist zusätzlich
eine Haftvermittlerschicht aus Hexamethyldisiloxan (HMDS) angeordnet.
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Zur
Beschichtung werden zwei Fotolacke der Firma Allresist GmbH verwendet.
Für die
Grundschicht wird der Fotolack AR-P 631.01 durch Spin-Coating mit
einer Umdrehungszahl von 5000 min–1 aufgeschleudert
und anschließend
zum Verfestigen für
eine Minute einer Temperatur von 100 °C ausgesetzt. Für die Schutzschicht
wird der Fotolack AR-P 661.04 durch Spin-Coating mit einer Umdrehungszahl von
4000 min–1 aufgeschleudert
und anschließend
zum Verfestigen für
10 Minuten einer Temperatur von 250 °C ausgesetzt.
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Das
Ergebnis dieses Herstellungsprozesses ist ein erfindungsgemäßes Nano-
oder Molekularelektronikbauteil.