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Die
Erfindung bezieht sich auf die Gebiete des Gerätebaus, der Messtechnik und
der Physik und betrifft einen Temperatursensor, wie er beispielsweise
zur Messung von Temperaturen allgemein und speziell von Temperaturfeldern,
zur Anwendung kommen kann, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines
solchen Temperatursensors.
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Zur
Temperaturmessung sind zahlreiche Methoden bekannt, die die verschiedensten
Temperatursensoren, wie Gasthermometer, Ausdehnungsthermometer,
Dampfdruckthermometer, Widerstandsthermometer, Thermoelemente, Strahlungsthermometer
(Pyrometer), Rauschthermometer, Akustische Thermometer, Magnetische
Thermometer, Kernresonanzthermometer, Kernorientierungsthermometer
oder Kapazitätsthermometer
und auch Temperatursensoren unter Verwendung der Temperaturabhängigkeit
von Barriereübergängen (Schottky-Barriere),
verwenden.
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Dabei
kann grundsätzlich
unterschieden werden, ob sich der Temperatursensor im Wärmekontakt
(Leitung, Konvektion) mit der Probe befindet oder aber, ob die Messung
(wie im Falle der Pyrometer) kontaktlos und nur über Strahlungsmessung erfolgt.
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Das
Messprinzip des Thermoelementes ist in seiner Anwendung weit verbreitet
und beruht auf dem von Seebeck entdeckten Effekt, dass an den Enden zweier
Drähte
aus verschiedenen Materialien eine Spannung entsteht, wenn die Temperatur
an der Verbindungsstelle der beiden Materialien eine andere ist als
die an den Klemmen des Messgerätes.
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Der
generelle Nachteil aller bekannten Methoden ist die geringe Ortsauflösung der
Messung, die beispielsweise bei Pyrometern einen Bereich von 10-30 μm nicht mehr
unterschreitet. Bei anderen Systemen handelt es sich im Allgemeinen
um eine Punktmessung, das heißt,
dass keine Rasterung möglich
ist und die Ortsauflösung
wird in erster Linie durch die Geometrie und Dimensionen des Sensors bestimmt.
Im Falle von Thermoelementen beispielsweise lassen sich Drähte in Durchmessern
oberhalb von 1 μm
herstellen, welche dann zu einer „Messperle" in Kontakt gebracht werden. Das heißt, dass
die eigentliche Sonde weit größer als
der Drahtdurchmesser ist. Für
eine konventionelle Temperaturmessung (Routineverfahren) an Festkörperoberflächen haben
sich nur das Thermoelement (Kontaktverfahren) und das berührungslose
Messverfahren mittels Pyrometer durchgesetzt. Ortsaufgelöste Messungen (Temperaturscans)
im mikroskopischen Bereich sind mit beiden Sensoren, wie auch mit
allen anderen traditionellen Sensoren, nicht möglich.
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Anforderungen
insbesondere aus der Mikroelektronik und Mikromechanik haben in
den letzten Jahren zu einer intensiven Suche nach Temperaturmessmethoden
und – sensoren
mit mikroskopischer und submikroskopischer Auflösung geführt. Bisher wird in der Mikroelektronik
für eine
mehr integrale Messung die Methode über den TCR (Temperature Coefficient
of Resitivity) eingesetzt, wo die Temperaturabhängigkeit des spezifischen Widerstandes
einer Widerstandslinie zur Temperaturbestimmung verwendet wird (Standard
method for measuring and using the temperature coefficient of resitance
to determine the temperature of a metallization, EIA/JEDEC Standard,
EIA/JESD33 (1995)).
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Derartige
Entwicklungen zur gescannten Temperaturmessung an mikroskopischen
Strukturen beziehen fast ausschließlich die gerätetechnischen Möglichkeiten
der Rastersondenmikroskopie (AFM, RTM) ein, wo ein Signal (z-Auslenkung,
Tunnelstrom, Phasenverschiebung o.a.) während eines piezogetriebenen
Scans (nm-Ortsauflösung)
von einer Probenoberfläche
registriert und in einem zweidimensionalen Plot dargestellt werden
kann. Die dafür
speziell entwickelten Messspitzen beispielsweise für AFM-Geräte bestehen
in der Verwendung einer temperaturempfindlichen sogenannten Schottky-Diode (1,
Prinzipdarstellung), bei der die Temperaturabhängigkeit dieses Kontakts zur
Temperaturmessung ausgenutzt wird oder in der Adaption eines herkömmlichen
Miniaturthermoelements, beispielsweise auf einer AFM-Spitze (G.
Mills et al., Appl. Phys. Lett. Vol. 72, No. 22 (1998), pp. 2900-2902;
A. Majumda et al., Appl. Phys. Lett, Vol. 62, No. 20 (1993) pp. 2501-2503;
H.K. Wickramasinghe, Acta mater. 48 (2000) 347-358). Eine Übersicht über bestehende Sensorkonzepte
für den
mikroskopischen Bereich mit den erreichbaren Temperatur- und räumliche
Auflösungen
ist von W. Müller-Hirsch,
Dissertation Universität
Oldenburg 2000 gezeigt worden. Neben herkömmlichen Spitzen für AFM oder
RTM wurden auch Glaskapilaren verwendet (http://www.nanonics.co.il/).
Die bekannte Ortsauflösung
derartiger Systeme ist insbesondere aufgrund der pyramiden- bzw.
kegelförmigen
Spitzengeometrie und den damit im Zusammenhang stehenden Effekten
an den Flanken der Spitze ebenfalls begrenzt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Temperatursensor und
ein Verfahren zu seiner Herstellung anzugeben, welcher eine höhere Ortsauflösung der
Messung realisiert und einfach und kostengünstig herstellbar ist.
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Gelöst wird
die Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Dabei
besteht der erfindungsgemäße Temperatursensor
aus mindestens einem Nanodraht aus einem elektrisch leitenden Material
und/oder aus mindestens einer Nanoröhre, die aus einem elektrisch
leitenden Material besteht und/oder mit einem solchen gefüllt ist,
wobei das Verhältnis
von Länge
zu Durchmesser des Nanodrahtes oder der Nanoröhre mindestens > 1 : 1 ist und ein
oder mehrere der Nanodrähte
und/oder der Nanoröhren
so an einem Träger
elektrisch isolierend befestigt sind, dass sie mit Ihrer Länge in Richtung
des Messortes ausgerichtet sind, wobei die Thermospannung über elektrische Kontakte
von jeweils den beiden Enden des oder der Nanodrähte und/oder der Nanoröhren abgenommen wird,
und die elektrische Kontaktierung an dem Ende des Nanodrahtes und/oder
der Nanoröhre,
die nicht in Richtung des Messortes zeigt, an eine größere Wärmekapazität angekoppelt
ist, als die andere Kontaktierung.
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Vorteilhafterweise
ist der Nanodraht mit einem elektrisch schlechter leitenden Material
als der Nanodraht oder mit einem elektrisch isolierenden Material
ummantelt.
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Ebenfalls
vorteilhafterweise besteht die Nanoröhre aus einem elektrisch schlechter
leitenden Material als das Füllmaterial
oder aus einem elektrisch isolierenden Material.
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Weiterhin
vorteilhafterweise beträgt
das Verhältnis
von Länge
zu Durchmesser des Nanodrahtes oder der Nanoröhre 2 : 1 bis 50 : 1.
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Auch
vorteilhafterweise weist der Träger
im Bereich der Befestigung des Nanodrahtes oder der Nanoröhre eine
Hervorhebung in Richtung des Messortes auf, die kegelförmig, kegelstumpfförmig, pyramidenförmig, pyramidenstumpfförmig, halbkugelförmig oder
zylindrisch ausgebildet sein kann, und wobei noch vorteilhafterweise
im Bereich der Hervorhebung, von dem aus der Messort in einer geraden Linie
erreichbar ist, eine Öffnung,
vorteilhafterweise ein Loch, vorhanden ist, die mindestens dem Durchmesser
des Nanodrahtes oder der Nanoröhre
entspricht und in welcher der Nanodraht oder die Nanoröhre vorteilhafterweise
mittels eines elektrisch isolierenden Klebstoffes befestigt ist,
wobei keine elektrisch leitende Verbindung zwischen den elektrisch leitenden
Kontakten der beiden Enden des Nanodrahtes oder der Nanoröhre und
der Hervorhebung des Träger
besteht.
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Von
Vorteil ist auch, wenn der Träger und/oder
die Hervorhebung des Trägers
oder eine Schicht auf dem Träger
aus einem elektrisch schlechter leitenden Material als das Material
des Nanodrahtes und/oder der Nanoröhre und/oder der Füllung der
Nanoröhre
oder aus einem elektrisch isolierenden Material besteht.
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Auch
von Vorteil ist es, wenn die Hervorhebung eine AFM-Messspitze oder
eine RTM-Messspitze ist, wobei vorteilhafterweise in der Spitze
der Messspitze ein Loch vorhanden ist, in welchem ein Nanodraht
und/oder eine Nanoröhre
positioniert sind.
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Weiterhin
von Vorteil ist es, wenn das elektrisch leitende Material des Nanodrahtes
und/oder der Nanoröhre
oder der Füllung
der Nanoröhre
eine andere Thermospannung aufweisen als das Material der Kontaktierung,
wobei vorteilhafterweise die Materialien einen möglichst großen Unterschied in der Thermospannung
aufweisen. Dabei sind vorteilhafterweise die elektrisch leitenden
Materialien Metalle oder dotierte Halbleitermaterialien, wobei noch
vorteilhafterweise das Metall in der Nanoröhre oder des Nanodrahtes ein
Metall mit hoher Thermospannung ist. Die eingesetzten Metalle sind
vorteilhafterweise Kobalt, Eisen oder Platin. Die eingesetzten dotierten Halbleitermaterialien
sind vorteilhafterweise dotiertes Silicium.
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Ebenfalls
von Vorteil ist es, wenn das elektrisch schlechter leitende oder
isolierende Material Kohlenstoff, Silicium, Siliziumnitrid, Siliziumdioxid, Aluminiumoxid
oder Zinnoxid ist, und als elektrisch isolierendes Trägermaterial
Silizium oder ZnO oder Oxide und/oder Nitride des Siliziums eingesetzt
sind.
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Von
Vorteil ist es auch, wenn die gefüllten Nanoröhren oder der beschichtete
Nanodraht einen Durchmesser von 1 bis 200 nm, vorteilhafterweise von
1 bis 5 nm und 10 bis 100 nm aufweisen.
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Und
auch von Vorteil ist es, wenn die Schichtdicken der elektrisch leitenden
Kontaktierungen zwischen 2 und 100 nm betragen.
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Vorteilhafterweise
ist die Wärmekapazität, die an
die elektrischen Kontaktierung an dem Ende des Nanodrahtes und/oder
der Nanoröhre,
die nicht in Richtung des Messortes zeigt, angekoppelt ist, 10fach
bis 100fach größer ist,
als die Wärmekapazität der anderen
Kontaktierung.
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Auch
vorteilhafterweise erfolgt die Kontaktierung des elektrisch leitenden
Endes des Nanodrahtes und/oder der Nanoröhre im Bereich des Messortes über das
elektrisch leitende Messobjekt.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur Herstellung eines Temperatursensors werden an oder auf einem
Träger
mindestens ein Nanodraht aus einem elektrisch leitenden Material
und/oder mindestens eine Nanoröhre,
die aus einem elektrisch leitenden Material besteht und/oder mit
einem solchen gefüllt
ist, so isolierend befestigt, dass der Nanodraht und/oder die Nanoröhre mit
ihrer Längsrichtung
in Richtung des Messortes angeordnet sind, und nachfolgend je eine
elektrisch Verbindung zwischen dem an den Enden der Nanoröhre oder
des Nanodrahtes zugänglichen
elektrisch leitendem Material zu je einem elektrischen Kontakt hergestellt
und die Thermospannung gemessen wird.
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Vorteilhafterweise
werden der Nanodraht und/oder die Nanoröhre mittels eines Klebers an
oder auf dem Träger
befestigt.
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Ebenfalls
vorteilhafterweise wird als Träger eine
AFM-Messspitze eingesetzt.
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Weiterhin
vorteilhafterweise wird in den Bereich des geringsten Krümmungsradiusses
der Hervorhebung eines Trägers
eine zentrische Öffnung, noch
vorteilhafterweise ein Loch, mittels fokussierter Ionenstrahlung
hergestellt.
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Vorteilhaft
ist es, wenn nach dem Positionieren des Nanodrahtes und/oder der
Nanoröhre
an oder auf dem Träger
zuerst eine elektrisch leitende Verbindung auf der Seite des Trägers in
Richtung des Messortes vom Metall an diesem Ende des Nanodrahtes
und/oder der Nanoröhre
zu einem ersten elektrischen Kontakt hergestellt wird.
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Auch
vorteilhaft ist es, wenn nach dem Positionieren des Nanodrahtes
und/oder der Nanoröhre an
oder auf dem Träger
und nach erfolgter Kontaktierung des Endes des Nanodrahtes und/oder
der Nanoröhre
auf der Seite des Trägers
in Richtung des Messortes zu einem ersten elektrischen Kontakt eine elektrisch
leitende Verbindung zwischen dem anderen Ende des Nanodrahtes und/oder
der Nanoröhre zu
einem zweiten elektrischen Kontakt hergestellt wird.
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Der
erfindungsgemäße Temperatursensor
ist besonders geeignet für
die dynamische Messung von Temperaturfeldern mit hoher Ortsauflösung in mikroskopischen
Bereichen und mit einer hohen Empfindlichkeit, sowie von örtlichen
Temperaturrampen. Bei dem erfindungsgemäßen Temperatursensor wird ebenfalls
die prinzipielle Funktionsweise eines Thermoelementes ausgenutzt.
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Der
thermoelektrische Effekt beruht auf einer materialspezifischen Eigenschaft
von elektrisch leitfähigen
Materialien. Im Inneren eines Leiters stellt sich eine Verschiebung
der Elektronendichte ein (Volumendiffusionseffekt), wenn über dem
Leiter ein Temperaturgradient besteht. Die Ansammlung der Elektronen
wird dichter im Bereich der niedrigen Temperaturen.
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Mit
Hilfe einer für
die jeweilige Materialkombination charakteristischen Empfindlichkeit
und einer Kalibrationskurve lässt
sich dann der gemessenen Thermospannung eineindeutig eine bestimmte
Temperatur zuordnen.
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Bedeutende
Fortschritte auf dem Gebiet der Nanotechnologie und insbesondere
bei der Herstellung von Nanodrähten,
Nanonadeln, oxydischen Nanoröhren
oder gefüllten
Multi-(MWCNT) oder Singlewall-Kohlenstoffnanoröhren (SWCNT) usw. ermöglichen
nunmehr auch ihre routinemäßige praktische Anwendung.
Zum Beispiel können
Nanoröhren
reproduzierbar mit Metallen, wie beispielsweise Eisen, Nickel, Kobalt
und mit Legierungen gefüllt
werden, die in Verbindung mit einem anderen Material Materialkombinationen
mit einer hohen Thermospannung darstellen.
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Durch
den Einsatz des erfindungsgemäßen Temperatursensors
in einer AFM- oder RTM-Messspitze kann vorteilhafterweise zunächst die
Topgraphie einer Probenoberfläche
mittels dieser Spitze ermittelt werden und nachfolgend innerhalb
dieses Rasters oder an ausgewählten
Punkten des Rasterfeldes die Temperatur ermittelt werden.
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Bei
der erfindungsgemäßen Lösung kann weiterhin
vorteilhafterweise die thermoelektrische Kontaktierung auf der dem
Messort zugewandten Seite als submikroskopisch feine Sonde zur Temperaturmessung
und die thermoelektrische Kontaktierung auf der dem Messort abgewandten
Seite im Inneren der Messspitze als Referenzpunkt (Referenztemperatur
T0) eingesetzt werden. Der erfindungsgemäß präparierte
Temperatursensor kann in einem herkömmlichen AFM (z.B. Veeco) oder
RTM (z.B. DI) eingesetzt und mit der Technik des AFM- oder RTM (Piezosteller) über eine
Probenoberfläche
gescannt werden.
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Anstelle
von metallgefüllten
oder mit dotiertem Halbleitermaterial, wie z.B. dotiertem Silizium, gefüllten Nanoröhren können auch
mit einem elektrisch isolierenden Material beschichtete Nanodrähte für den erfindungsgemäßen Temperatursensor
eingesetzt werden.
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Es
besteht weiterhin die Möglichkeit,
zur sicheren Funktionsfähigkeit
des erfindungsgemäßen Temperatursensors,
die Außenseite
der herausragenden gefüllten
Nanoröhre
oder des beschichteten Nanodrahtes und/oder auch das Innere der
AFM- oder RTM-Messspitze mit der darin hineinreichenden gefüllten Nanoröhre oder
dem hinreichenden beschichteten Nanodraht mit einer dünnen elektrischen Isolationsschicht
zu versehen, die ebenfalls aufgesputtert oder mittels CVD aufgebracht
werden kann. Ferner kann auf diese Weise auch eine weitere Dünnschicht
zur Wärmeisolation
aufgebracht werden. Dabei ist zu berücksichtigen, dass dann vor
dem Aufbringen der thermoelektrischen Kontaktierung die elektrische
Leitfähigkeit
zum Metall der Nanoröhre oder
des Nanodrahtes wiederhergestellt werden muss. Dies geschieht vorteilhaft
mittels fokussierter Ionenstrahlen (FIB).
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Als
Nanoröhren
können
Multi- oder Single-Wall-Kohlenstoffnanoröhren oder andere bekannte Nanoröhren eingesetzt
werden.
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Auch
kann die elektrische Kontaktierung zur thermoelektrischen Messung
stark lokalisiert erfolgen, beispielsweise in Form von nur Linienkontakten.
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Die
Ausbildung des elektrischen Kontaktes zur thermoelektrischen Messung
kann als planare Fläche
oder als Mantelfläche
oder als eine Kombination von beidem erfolgen.
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Das
Füllmaterial
der Nanoröhren
oder das Material des Nanodrahtes, sowie auch die elektrischen Kontaktierungen
können
aus metallischen Multilagen oder Materialkombinationen, wie Legierungen,
auch mit Nichtmetallen (z.B. Si) bestehen.
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Die
Temperaturmessungen können
im Kontakt-Mode oder auch mit leicht zurück gezogener Sonde durchgeführt werden
(Verwendung der AFM- oder RTM-Routinen).
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Die
Füllung
der Nanoröhren
kann gezielt durch beispielsweise gezielten Elektromigrationstransport
beeinflusst werden, um sicher vollständig gefüllte Nanoröhren zu erhalten.
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Nachfolgend
wird die Erfindung an einem Beispiel näher erläutert.
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Dabei
zeigt
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1 Schottky-Diode
(Stand der Technik), Prinzipdarstellung,
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2 eine
Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Lösung, wobei die Darstellung
keinen Aufschluss über
tatsächliche
Abmessungen gibt.
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Beispiel 1
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In
eine AFM-Messspitze aus Siliziumnitrid wird im Bereich ihres geringsten
Krümmungsradiusses
mittels eines fokussierten Ionenstrahls einer Dual-Beam-FIB-Workstation ein zentrisch
angeordnetes Loch von 80 nm Durchmesser eingebracht. Danach wird
eine mit Kobalt gefüllte
Kohlenstoffnanoröhre
mit einem Durchmesser der Füllung
von 40 nm (Außendurchmesser
der Kohlenstoffnanoröhre
80 nm) und einer Länge
von 4 μm
in die Öffnung
geschoben und dort mittels eines Klebstoffes aus einem Polymer,
positioniert. Die verwendete Kohlenstoffnanoröhre ist vorher mittels einer
Untersuchung im Rasterelektronenmikroskop auf eine vollständige Füllung ohne
Leerräume
untersucht worden. Nur vollständig gefüllte Kohlenstoffnanoröhren werden
eingesetzt. Nachfolgend wird wiederum mittels eines fokussierten
Ionenstrahls die Länge
des aus der AFM-Messspitze herausragenden Teils der Kohlenstoffnanoröhre auf
60 nm begrenzt. Nun wird die Außenseite
der AFM-Messspitze gemeinsam mit der gefüllten Kohlenstoffnanoröhre mittels Sputterns
mit einer 10 nm dicken Platinschicht bedeckt und damit mit dem Kobalt
der erste thermoelektrische Kontakt realisiert. Dann wird das Innere
der AFM-Messspitze ebenfalls mittels Sputtern mit einer 300 nm dicken
Platinschicht versehen, wobei der kegelförmige Bereich an der dem Messort
abgewandten Seite der Messspitze zu 50 % mit Platin gefüllt ist,
damit im Inneren der Messspitze eine merklich höhere Wärmekapazität an Platin vorhanden ist als
an der dem Messort zugewandten Seite. Dieser zweite thermoelektrische
Kontakt Kobalt/Platin auf der dem Messort abgewandten Seite wird
als Referenzmesspunkt verwendet. Die Zeitkonstante für den Temperaturausgleich
bei statischer Temperaturmessung, d.h. ohne Scan hängt maßgeblich
von dem Verhältnis
der Wärmekapazitäten und folglich,
im Falle gleicher Kontaktmaterialien, von der Massedifferenz ab.
Ein elektrischer Kontakt zwischen den beiden Platinschichten durch
die Öffnung
in der AFM-Messspitze wird zwingend durch den isolierenden Klebstoff
vermieden, da sonst keine Messung realisiert werden kann.
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Im
Falle der Messung von Temperaturen an Messpunkten eines Rasters
einer Probenoberfläche wird
die Kohlenstoffnanoröhre
an die Messpunkte geführt,
dort gehalten und die vorhandene Thermospannung verstärkt, gemessen
und aufgezeichnet. Die Messpunkte können in einem Abstand von 50 × 50 nm
in gleichmäßigen Abständen im
Rasterbereich von 5 × 5 μm auf der
Probenoberfläche
liegen. Dabei wird ein Temperaturfeld ermittelt, was eine extrem hohe
Ortsauflösung
der Temperaturen wiedergibt.
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1
- 1
- Ti/p-Si-Kontakt
- 2
- Al
- 3
- SiO2
- 4
- Al/p-Si-Ohmic-Kontakt
- 5
- p-Si
- 6
- Ti
-
2
- 1
- Pt
- 2
- Si3N4
- 3
- elektrische
Kontakte
- 4
- thermoelektrische
Kontakte
- 5
- Kohlenstoffnanoröhre
- 6
- Co