DE102018214302B4

DE102018214302B4 - Verfahren zum Herstellen eines graphenbasierten Sensors

Info

Publication number: DE102018214302B4
Application number: DE102018214302.1A
Authority: DE
Inventors: Christoph Glacer; Stephan Pindl; Sebastian Wittmann; Werner Weber
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2018-08-23
Filing date: 2018-08-23
Publication date: 2020-07-30
Anticipated expiration: 2038-08-24
Also published as: US11081551B2; DE102018214302A1; US20200066845A1

Abstract

Verfahren zum Herstellen eines graphenbasierten Sensors (1), wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:Bereitstellen eines Trägersubstrates (2);Ausbilden einer Trägerstruktur (3) an dem Trägersubstrat (2), derart, dass an einer Oberseite (4) der Trägerstruktur (3) eine oder mehrere Trennstrukturen (5) ausgebildet werden; undnasschemischer Transfer einer Graphenschicht (6) auf die Oberseite (4) der Trägerstruktur (3), welche die Trennstrukturen (5) aufweist;wobei die Trennstrukturen (5) und eine Reißfestigkeit der Graphenschicht (6) so aufeinander abgestimmt sind, dass die Graphenschicht (6) bei dem nasschemischen Transfer jeweils an den Trennstrukturen (5) einreißt;wobei die Trägerstruktur (3) so ausgebildet wird, dass sie eine Öffnung (12) aufweist, und wobei der nasschemische Transfer so durchgeführt wird, dass ein erster Abschnitt (13) der Graphenschicht (6) die Öffnung (12) abdeckt, und dass ein zweiter Abschnitt (14) der Graphenschicht (6) einen die Öffnung (12) umgebenden Bereich der Trägerstruktur (3) abdeckt;wobei der Sensor (1) als Hall-Sensor (1), als Mikrophon (1) oder als Drucksensor ausgebildet wird, wobei der erste Abschnitt der Graphenschicht (13) zum Wandeln einer zu detektierenden physikalischen Größe in ein elektrisches Signal ausgebildet wird.

Description

Die vorliegende Offenbarung betrifft die Herstellung eines graphenbasierten Sensors. Insbesondere betrifft die Offenbarung ein Verfahren zur Herstellung eines graphenbasierten Sensors, bei dem durch einen nasschemischen Transfer eine Graphenschicht auf eine Trägerstruktur aufgebracht wird.
Bei der Herstellung von derartigen graphenbasierten Sensoren tritt das Problem auf, dass die Graphenschicht die komplette Trägerstruktur bedeckt und somit unerwünschte parasitäre Widerstände, Kapazitäten, etc. entstehen. Um derartige unerwünschte parasitäre Widerstände, Kapazitäten, etc. zu beseitigen, ist vorgeschlagen worden, die Graphenschicht vor oder nach dem Transfer zu strukturieren, sodass nur die gewünschten Bereiche auf der Trägerstruktur mit Graphen bedeckt sind. Allerdings ist die Strukturierung der Graphenschicht mit üblichen Methoden der Halbleitertechnologie (partielles Abdecken und Ätzen der Struktur) kaum möglich.
Es ist bekannt, die Strukturierung der Graphenschicht, bei der die Graphenschicht von den unerwünschten Bereichen auf der Trägerstruktur entfernt wird, mittels eines Lasers durchzuführen. Hierzu muss jedoch der unerwünschte Bereich mit einer hohen Leistung, beispielsweise größer als 10 Milliwatt, über einen längeren Zeitraum, beispielsweise mehrere Minuten bis mehrere Stunden, mit dem Laser bestrahlt werden. Ein derartiges Verfahren ist jedoch unwirtschaftlich, insbesondere wenn größere Stückzahlen von dem graphenbasierten Sensor hergestellt werden sollen. Würde man nämlich dieses Verfahren auf der Ebene eines Wafers anwenden, so würde die Entfernung des Graphens von den unerwünschten Bereichen auf den Trägerstrukturen mehrere Tage in Anspruch nehmen.
Daher besteht ein Bedarf für ein wirtschaftlicheres Verfahren zur Herstellung eines graphenbasierten Sensors, bei dem durch einen nasschemischen Transfer eine Graphenschicht auf eine Trägerstruktur aufgebracht wird.
Offenbart wird ein Verfahren zum Herstellen eines graphenbasierten Sensors, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

Bereitstellen eines Trägersubstrates;
Ausbilden einer Trägerstruktur an dem Trägersubstrat, derart, dass an einer Oberseite der Trägerstruktur eine oder mehrere Trennstrukturen ausgebildet werden; und
nasschemischer Transfer einer Graphenschicht auf die Oberseite der Trägerstruktur, welche die Trennstrukturen aufweist;
wobei die Trennstrukturen und eine Reißfestigkeit der Graphenschicht so aufeinander abgestimmt sind, dass die Graphenschicht bei dem nasschemischen Transfer jeweils an den Trennstrukturen einreißt.

Räumliche Begriffe, wie oben oder unten, beziehen sich im Folgenden auf eine Lage des graphenbasierten Sensors im Raum, bei der das Trägersubstrat in einer Normallage parallel zur Erdoberfläche ausgerichtet ist und bei der die Trägerstruktur oberhalb des Trägersubstrats gelegen ist.
Bei dem Substrat kann es sich um ein Halbleitersubstrat, beispielsweise um einen Siliziumsubstrat, handeln. Das Trägersubstrat kann als Basis für den weiteren Aufbau des graphenbasierten Sensors dienen.
Die Trägerstruktur dient zunächst dem Tragen der Graphenschicht. Der Begriff „Struktur“ verweist darauf, dass die Gestaltung der Oberfläche der Trägerstruktur von einer planen Ebene abweicht. Die Trägerstruktur kann durch Strukturieren des Substrats selbst und/oder durch Aufbringen von einer oder mehreren strukturierten Schichten hergestellt werden. Dabei werden an der Trägerstruktur Trennstrukturen ausgebildet, welche dazu dienen, die Graphenschicht beim nasschemischen Transfer auf die Oberseite der Trägerstruktur definiert zum Einreißen zu bringen, so dass lokal ein großer elektrischen Widerstand zwischen verschiedenen Bereichen der Graphenschicht erreicht wird.
Graphen (Graphen; englisch: graphene) ist die Bezeichnung für eine Modifikation des Kohlenstoffs mit zweidimensionaler Struktur, in der jedes Kohlenstoffatom im Winkel von 120° von drei weiteren umgeben ist, sodass sich ein bienenwabenförmiges Muster ausbildet. Eine Graphenschicht ist daher sehr dünn, aber trotzdem sehr reißfest. Unter einem nasschemischen Transfer einer Graphenschicht wird ein solcher Transfer verstanden, bei dem die Graphenschicht mittels eines Lösungsmittels, beispielsweise eine Chlorwasserstofflösung, von einem Trägermaterial, beispielsweise Kupfer, gelöst wird, und bei dem dann die vom Lösungsmittel benetzte Graphenschicht auf die Trägerstruktur transferiert wird.
Dabei wird das Verfahren so durchgeführt, dass die Trennstrukturen und eine Reißfestigkeit der Graphenschicht so aufeinander abgestimmt sind, dass die Graphenschicht bei dem nasschemischen Transfer jeweils an den Trennstrukturen einreißt. Dem vorgeschlagenen Verfahren liegt also die überraschende Erkenntnis zu Grunde, dass eine an sich sehr reißfeste Graphenschicht durch die Ausbildung von Trennstrukturen an der Trägerstruktur während dem nasschemischen Transfer zum definierten Einreißen gebracht werden kann.
Der Vorteil dieser Lösung ist die einfache technologische Umsetzung, da die Graphenschicht in den unerwünschten Bereichen nicht mehr entfernt werden muss. Hierdurch können unerwünschte parasitäre Effekte bei dem graphenbasierten Sensor vermieden werden so dass die Genauigkeit und die Empfindlichkeit des graphenbasierten Sensors erhöht werden kann.
Bei Ausführungsbeispielen des Verfahrens wird wenigstens eine der Trennstrukturen als eine Vertiefung ausgebildet. Die Vertiefung kann beispielsweise ein Graben sein.
Bei Ausführungsbeispielen des Verfahrens wird die Trägerstruktur so ausgebildet, dass ist Vertiefung linienförmig die und wenigstens eine längs der Vertiefung verlaufende Kante aufweist. Die Vertiefung kann dabei gradlinig oder krummlinig ausgebildet werden.
Bei Ausführungsbeispielen des Verfahrens wobei wird die Trägerstruktur so ausgebildet, dass wenigstens eine der Trennstrukturen als eine Erhöhung ausgebildet wird. Die Erhöhung kann insbesondere dammförmig ausgebildet werden.
Bei Ausführungsbeispielen des Verfahrens wird die Trägerstruktur so ausgebildet, dass die Erhöhung linienförmig ist und wenigstens eine längs der Erhöhung verlaufende Kante aufweist. Auch die Erhöhung kann gradlinig oder krummlinig ausgebildet werden.
Es hat sich gezeigt, dass als Erhöhung oder Vertiefung ausgebildete Trennstrukturen geeignet sind, eine Graphenschicht beim nasschemischen Transfer kontrolliert zum Einreißen zu bringen. Der genaue Mechanismus hierzu ist nicht im Detail bekannt. Es wird jedoch vermutet, dass Kapillarkräfte beim Lösungsmittel eine Rolle spielen. Die erforderliche konkrete Ausbildung der Trennstrukturen in Abhängigkeit von der jeweils verwendeten Graphenschicht kann der Fachmann jedoch durch einfache Versuche ermitteln. Dabei hat sich gezeigt, dass eine kantige Ausbildung der Erhöhung oder der Vertiefung das Einreißen der Graphenschicht im Vergleich zu einer abgerundeten Ausbildung der Erhöhung oder der Vertiefung begünstigt.
Bei Ausführungsbeispielen des Verfahrens wird die Trägerstruktur so ausgebildet, dass die linienförmige Erhöhung der wenigstens einen Trennstruktur eine Leiterbahn ist. Leiterbahnen werden in vielen Fällen bei Sensoren verwendet, um den Sensor mit Energie zu versorgen oder um ein Messsignal abzuleiten. Dabei kann es wünschenswert sein, die Leiterbahn zumindest lokal von der Graphenschicht elektrisch zu entkoppeln. Durch die Gestaltung der Leiterbahn als Trennstruktur kann dies erreicht werden, ohne dass separate Trennstrukturen erforderlich sind.
Bei Ausführungsbeispielen des Verfahrens wird die Trägerstruktur so ausgebildet, dass wenigstens eine der Trennstrukturen eine hydrophobe Oberfläche umfasst. Es hat sich gezeigt, dass das Einreißen der Graphenschicht begünstigt wird, wenn die jeweilige Trennstruktur zumindest teilweise hydrophob, also wasserabweisend, ausgebildet wird.
Bei Ausführungsbeispielen des Verfahrens wird die Trägerstruktur so ausgebildet, dass sie eine Öffnung aufweist, und wobei der nasschemische Transfer so durchgeführt wird, dass ein erster Abschnitt der Graphenschicht die Öffnung abdeckt, und dass ein zweiter Abschnitt der Graphenschicht einen die Öffnung umgebenden Bereich der Trägerstruktur abdeckt. Auf diese Weise können solche Sensoren einfach hergestellt werden, bei den vorgesehen ist, ein leitendes Material über einer Öffnung anzuordnen.
Bei Ausführungsbeispielen des Verfahrens wird die Trägerstruktur so ausgebildet, dass die Graphenschicht bei dem nasschemischen Transfer an den Trennstrukturen so einreißt, dass zumindest ein Teil des zweiten Abschnitts der Graphenschicht elektrisch von dem ersten Abschnitt der Graphenschicht getrennt wird. Hierdurch können parasitäre Effekte ohne Nachbearbeitung der Graphenschicht verringert werden.
Bei Ausführungsbeispielen des Verfahrens wird die Trägerstruktur so ausgebildet, dass ein Rahmen der Öffnung als Kontaktstruktur mit einem oder mehreren Kontakten ausgebildet wird, wobei die Kontakte elektrisch mit dem ersten Abschnitt der Graphenschicht verbunden werden, und wobei die Kontakte jeweils als eine der Trennstrukturen ausgebildet werden. Hierdurch können mit dem ersten Abschnitt elektrisch leitend verbundene Kontakte von dem zweiten Abschnitt zumindest lokal elektrisch entkoppelt werden, ohne dass hierzu separate Trennstrukturen erforderlich wären.
Bei Ausführungsbeispielen des Verfahrens wird an der Öffnung eine Durchhangsbegrenzungsstruktur ausgebildet, welche einen Durchhang des ersten Abschnitts der Graphenschicht bei dem nasschemischen Transfer der Graphenschicht begrenzt. Hierdurch kann verhindert werden, dass die Graphenschicht ungewollt im Bereich der Öffnung einreißt.
Bei Ausführungsbeispielen des Verfahrens wird die Trägerstruktur vor dem nasschemischen Transfer der Graphenschicht mit elastischen Zugkräften vorgespannt, und wobei die Trägerstruktur nach dem nasschemischen Transfer der Graphenschicht derart geschwächt wird, dass sich eine Fläche der Öffnung durch die elastischen Zugkräfte vergrößert. Hierdurch kann die Graphenschicht im Bereich der Öffnung gespannt werden, so dass ein etwaiger Durchhang der Graphenschicht im Bereich der Öffnung beseitigt werden kann. Die elastischen Zugkräfte können beispielsweise durch eine elastische Schicht in der Trägerstruktur erzeugt werden.
Bei Ausführungsbeispielen des Verfahrens wird die Trägerstruktur geschwächt, indem eine oder mehrere Opferstrukturen der Trägerschicht entfernt werden. Die Opferstrukturen können außerhalb der elastischen Schicht angeordnet sein und beispielsweise durch Ätzen entfernt werden.
Bei Ausführungsbeispielen des Verfahrens wird der Sensor als Hall-Sensor, als Mikrophon oder als Drucksensor ausgebildet, wobei der erste Abschnitt der Graphenschicht zum Wandeln einer zu detektierenden physikalischen Größe in ein elektrisches Signal ausgebildet wird.
Figurenliste
Ausführungsformen sind hier nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren beschrieben. Es zeigen:

1 Schritte eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Herstellen eines graphenbasierten Sensors, wobei der graphenbasierte Sensor in einer schematischen geschnittenen Seitenansicht dargestellt ist;
2 Schritte eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Herstellen eines graphenbasierten Sensors, wobei der weitere graphenbasierte Sensor in einer schematischen geschnittenen Seitenansicht dargestellt ist;
3 eine schematische Aufsicht eines Ausführungsbeispiels eines exemplarischen als Mikrofon ausgebildeten graphenbasierten Sensors;
4 eine schematische Aufsicht eines Ausführungsbeispiels eines exemplarischen als Hallsensor ausgebildeten graphenbasierten Sensors;
5-18 Schritte eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Herstellen eines graphenbasierten Sensors, wobei der graphenbasierte Sensor jeweils in einer schematischen geschnittenen Seitenansicht dargestellt ist;
19 eine schematische geschnittene Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels eines graphenbasierten Sensors;
20 eine schematische Aufsicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines graphenbasierten Sensors;
21 eine schematische geschnittene Seitenansicht des weiteren Ausführungsbeispiels eines graphenbasierten Sensor der 20; und
22 Schritte eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Herstellen eines graphenbasierten Sensors, wobei der graphenbasierte Sensor jeweils in einer geschnittenen Seitenansicht dargestellt ist.

Gleiche oder gleichartige Elemente oder Elemente mit gleicher oder äquivalenter Funktion sind im Folgenden mit gleichen oder gleichartigen Bezugszeichen versehen.
In der folgenden Beschreibung werden Ausführungsbeispiele mit einer Vielzahl von Merkmalen der vorliegenden Erfindung näher beschrieben, um ein besseres Verständnis der Erfindung zu vermitteln. Es ist jedoch festzuhalten, dass die vorliegende Erfindung auch unter Auslassung einzelner der beschriebenen Merkmale umgesetzt werden kann. Es sei auch darauf hingewiesen, dass die in verschiedenen Ausführungsbeispielen gezeigten Merkmale auch in anderer Weise kombinierbar sind, sofern dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen ist oder zu Widersprüchen führen würde.
Aspekte der Erfindung, welche im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben sind, betreffen auch korrespondierende Verfahren. Umgekehrt betreffen auch solche Aspekte der Erfindung, welche im Zusammenhang mit einem Verfahren beschrieben sind, auch eine korrespondierende Vorrichtung.
1 zeigt Schritte eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Herstellen eines graphenbasierten Sensors 1, wobei der graphenbasierte Sensor 1 in einer schematischen geschnittenen Seitenansicht dargestellt ist. Das beispielhafte Verfahren umfasst folgende Schritte:

Bereitstellen eines Trägersubstrates 2;
Ausbilden einer Trägerstruktur 3 an dem Trägersubstrat 2, derart, dass an einer Oberseite 4 der Trägerstruktur 3 eine oder mehrere Trennstrukturen 5 ausgebildet werden; und
nasschemischer Transfer einer Graphenschicht 6 auf die Oberseite 4 der Trägerstruktur 3, welche die Trennstrukturen 5 aufweist;
wobei die Trennstrukturen 5 und eine Reißfestigkeit der Graphenschicht 6 so aufeinander abgestimmt sind, dass die Graphenschicht 6 bei dem nasschemischen Transfer jeweils an den Trennstrukturen 5 einreißt.

Bei Ausführungsbeispielen wird die Trägerstruktur 3 so ausgebildet, dass wenigstens eine der Trennstrukturen 5 als eine Vertiefung 7 ausgebildet wird.
Bei Ausführungsbeispielen wird die Trägerstruktur 3 so ausgebildet, dass die Vertiefung 7 linienförmig ist und wenigstens eine längs der Vertiefung 7 verlaufende Kante 8 aufweist.
Um die Graphenschicht 6 zwischen unterschiedlichen Bereichen des Sensors mechanisch und elektrisch zu trennen, können zwischen den unterschiedlichen Bereichen auf der Trägerstruktur 4, z.B. durch Boschätzung, Gräben 7 erstellt werden. Über diesen wird die Graphenschicht 6, aufgrund von Kapillarkräften und der abgestimmten Reißfestigkeit der Graphenschicht 6, während des nasschemischen Transfers zum Einreißen gezwungen. Dies führt zur elektrischen Abtrennung zwischen den unterschiedlichen Bereichen des Sensors 1 und somit zur Minimierung von unerwünschten parasitären Widerständen und Kapazitäten, wodurch die Signalqualität und die Empfindlichkeit des Sensors 1 zunehmen.
2 zeigt Schritte eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Herstellen eines graphenbasierten Sensors 1, wobei der weitere graphenbasierte Sensor 1 eines in einer schematischen geschnittenen Seitenansicht dargestellt ist.
Bei Ausführungsbeispielen wird die Trägerstruktur 3 so ausgebildet, dass wenigstens eine der Trennstrukturen 5 als eine Erhöhung 9 ausgebildet wird.
Bei Ausführungsbeispielen wird die Trägerstruktur 3 so ausgebildet, dass die Erhöhung 9 linienförmig ist und wenigstens eine längs der Erhöhung verlaufende Kante 10 aufweist.
Bei Ausführungsbeispielen wird die Trägerstruktur 3 so ausgebildet, dass die linienförmige Erhöhung 9 der wenigstens einen Trennstruktur 5 eine Leiterbahn 11 ist.
Bei Ausführungsbeispielen wird die Trägerstruktur 3 so ausgebildet, dass wenigstens eine der Trennstrukturen 5 eine hydrophobe Oberfläche umfasst.
Unterschiedliche Bereiche des Sensors 1 können auch elektrisch und mechanisch getrennt werden, indem als Trennstruktur 5 eine Erhöhung 9 ausgebildet wird. Die Erhöhung 9 kann so ausgebildet werden, dass sie eine oder mehrere definierte Kanten 10 aufweist. An diesen Kanten 10 wird die Graphenschicht 6 während des nass chemischen Transfers über Kapillarkräfte angepresst, welche zum Einreißen der Graphenschicht 6 an dieser Stelle führen. Die Erhöhung 9 kann eine Leiterbahn 11 sein. Dabei wird im Bereich des Einreißens, der Graphenschicht 6 ein elektrischer Kontakt zwischen der Graphenschicht 6 auf der Leiterbahn 11 und der Graphenschicht 6 auf benachbarten Abschnitten des Sensors 1 unterbrochen. Dies führt zur Minimierung von unerwünschten parasitären Widerständen und Kapazitäten, wodurch die Signalqualität und die Empfindlichkeit des Sensors 1 zunehmen.
3 zeigt eine schematische Aufsicht eines Ausführungsbeispiels eines exemplarischen als Mikrofon 1 ausgebildeten graphenbasierten Sensors 1.
Bei Ausführungsbeispielen wird die Trägerstruktur 3 so ausgebildet, dass sie eine Öffnung 12 aufweist, und wobei der nasschemische Transfer so durchgeführt wird, dass ein erster Abschnitt 13 der Graphenschicht 6 die Öffnung 12 abdeckt, und dass ein zweiter Abschnitt 14 der Graphenschicht 6 einen die Öffnung 12 umgebenden Bereich der Trägerstruktur 3 abdeckt.
Bei Ausführungsbeispielen wird die Trägerstruktur 3 so ausgebildet, dass die Graphenschicht 6 bei dem nasschemischen Transfer an den Trennstrukturen 5 so einreißt, dass zumindest ein Teil des zweiten Abschnitts 14 der Graphenschicht 6 elektrisch von dem ersten Abschnitt 13 der Graphenschicht 6 getrennt wird.
Bei Ausführungsbeispielen wird die Trägerstruktur 3 so ausgebildet, dass ein Rahmen 15 der Öffnung 12 als Kontaktstruktur mit einem oder mehreren Kontakten 16 ausgebildet wird, wobei die Kontakte 16 elektrisch mit dem ersten Abschnitt der Graphenschicht 6 verbunden werden, und wobei die Kontakte 16 jeweils als eine der Trennstrukturen 5 ausgebildet werden.
Bei Ausführungsbeispielen wird an der Öffnung 12 eine Durchhangsbegrenzungsstruktur 17 ausgebildet, welche einen Durchhang des ersten Abschnitts 13 der Graphenschicht 6 bei dem nasschemischen Transfer der Graphenschicht 6 begrenzt.
Bei Ausführungsbeispielen wird der Sensor 1 als Hall-Sensor 1, als Mikrophon 1 oder als Drucksensor ausgebildet, wobei der erste Abschnitt der Graphenschicht 13 zum Wandeln einer zu detektierenden physikalischen Größe in ein elektrisches Signal ausgebildet wird.
Beim Ausführungsbeispiel der 3 ist die Graphenschicht 6 transparent dargestellt. Die Trägerstruktur 3 ist dabei über einem Hohlraum 18 angeordnet. Die Trägerstruktur 3 umfasst dabei eine plattenförmige Abdeckung 19 mit Verstärkungsrippen 20, zwei Elektrodenanschlussplatten 21, welche jeweils mit einer als Trennstruktur 5 ausgebildeten Leiterbahnen 11 mit dem ringförmigen Kontakt 16 verbunden sind sowie zwei Gegenelektrodenanschlussplatten 22, welche jeweils über ein elektrisches Verbindungsmittel 23 mit der Durchhangsbegrenzungsstruktur 17 verbunden sind. Die Durchhangsbegrenzungsstruktur 17 ist dabei als perforierte Gegenelektrode 17 des Mikrofons 1 ausgebildet, während der erste Abschnitt der Graphenschicht 13 als Elektrode 13 des Mikrofons 1 ausgebildet ist.
Die Linie L1 stellt dabei die Trennlinie zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt der Graphenschicht 6. Die Linien L2 stellen die Reißlinien dar, entlang derer die Graphenschicht 6 einreißt. Das Einreißen der Graphenschicht 6 wird dabei durch Kanten an den Leiterbahnen 11 und dem Kontakt 16 bewirkt.
Die Durchhangsbegrenzungsstruktur 17 bewirkt dabei, dass die Graphenschicht 6 über der Öffnung 12 beim nasschemischen Transfer nicht einreißt.
Um einen statischen Druckausgleich zu ermöglichen, kann sie plattenförmige Abdeckung eine oder mehrere Ventilationsöffnungen aufweisen.
4 zeigt eine schematische Aufsicht eines Ausführungsbeispiels eines exemplarischen als Hallsensor 1 ausgebildeten graphenbasierten Sensors 1.
Der Hallsensor 1 der 4 basiert auf dem Mikrofon der 3, so dass im Folgenden lediglich die Unterschiede erläutert sind. Die wesentlichen Unterschiede bestehen darin, dass der Rahmen 15 der Öffnung 12 nunmehr durch 4 elektrisch voneinander getrennte Kontakte 16 gebildet wird, wobei zwei der Kontakte 16 über jeweils eine Leiterbahn 12 mit jeweils einer Versorgungsanschlussplatte 24 elektrisch verbunden sind, und wobei zwei der Kontakte 16 über jeweils eine Leiterbahn 12 mit jeweils einer Signalanschlussplatte 25 verbunden sind.
Die 5-18 zeigen die Schritte eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Herstellen eines graphenbasierten Sensors 1, wobei der graphenbasierte Sensor 1 jeweils in einer schematischen geschnittenen Seitenansicht dargestellt ist. Die 5-16 zeigen dabei die Herstellung der Trägerstruktur 3 an der Oberseite 4 des Trägersubstrats 2.
Wie in 4 dargestellt, werden in dem bereitgestellten Trägersubstrat 2 zunächst beispielhaft vier Gräben 26 durch Ätzen ausgebildet. In 5 wird nun dargestellt, dass die Oberseite des Trägersubstrats 2 anschließend mit einer ersten Siliziumdioxidabscheidung 27 versehen wird. Auf die Siliziumdioxidabscheidung 27 wird dann eine erste Polysiliziumabscheidung 28 aufgebracht, so dass die Gräben 26 vollständig gefüllt sind, was in 7 gezeigt ist. Die Polysiliziumabscheidung 28 ist aus technologischen Gründen an der Oberseite nicht ganz eben. Daher wird anschließend, wie in 8 illustriert, der oberhalb der Siliziumdioxidabscheidung 27 gelegene Teil der Polysiliziumabscheidung 28 mittels chemisch-mechanischem Polieren entfernt. Wie in 9 gezeigt, wird dann eine zweite Polysiliziumabscheidung 29 auf die Siliziumdioxidabscheidung 27 und die erste Polysiliziumabscheidung 28 aufgebracht, so dass nunmehr eine ebene Oberfläche entsteht.
In 10 ist nun dargestellt, dass die zweite Polysiliziumabscheidung 29 nunmehr so strukturiert wird, dass beispielhaft drei Öffnungen 30 entstehen. In einem weiteren Schritt wird eine Siliziumnitridabscheidung 31 auf die zweite Polysiliziumabscheidung 29 und die Öffnungen 30 aufgebracht, was in 11 dargestellt ist. 12 illustriert einen weiteren Schritt, bei dem die Siliziumnitridabscheidung 31 so strukturiert wird, dass beispielhaft drei Öffnungen 32 entstehen. Wie in 13 dargestellt, wird anschließend eine zweite Siliziumdioxidabscheidung 33 auf Siliziumnitridabscheidung 31 und die Öffnungen 32 aufgebracht. Auf die zweite Siliziumdioxidabscheidung 33 wird dann, wie in 14 gezeigt, eine strukturierte Goldabscheidung 34 aufgebracht. Nunmehr wird an der Unterseite des Trägersubstrats 2 durch Boschätzen eine Ausnehmung 35 ausgebildet, was in 15 gezeigt ist. In weiteren Schritten werden, wie in 16 gezeigt, diejenigen Teile der ersten Siliziumdioxidabscheidung 27, welche unmittelbar an die Ausnehmung 35 angrenzen, sowie Teile der zweiten Siliziumdioxidschichtabscheidung 33, welche nicht zum Tragen der strukturierten Goldabscheidung 34 benötigt werden, durch Ätzen entfernt.
Nun ist die Tragstruktur 3 fertig gestellt. Der verbleibende Teil der zweiten Polysiliziumabscheidung 29 sowie der verbleibende Teil der Siliziumnitridabscheidung 31 bilden nun die plattenförmige Abdeckung 19. Der verbleibende Teil der ersten Polysiliziumabscheidung 28 bildet beispielhaft vier Verstärkungsrippen 20. Weiterhin bildet der rechte Teil der strukturierten Goldabscheidung 34 eine der Gegenelektrodenanschlussplatten 22. Der linke Teil der strukturierten Goldabscheidung 34 bildet einen Kontakt 16, der gleichzeitig einen Rahmen 15 für die Öffnung 12 bildet. Zwischen den beiden linken Verstärkungsrippen 20 ist eine als Vertiefung 7 ausgebildete Trennstruktur 5 entstanden, welche zwei Kanten 8 aufweist. Ebenso ist zwischen den beiden rechten Verstärkungsrippen 20 eine als Vertiefung 7 ausgebildete Trennstruktur 5 entstanden, welche ebenfalls zwei Kanten 8 aufweist.
Wie in 17 dargestellt, wird nun die Graphenschicht 6 auf die oben beschriebene Tragstruktur 3 nasschemisch transferiert. Dabei weist die Graphenschicht 6 im Bereich der Vertiefungen 7 ein. Falls erforderlich, können noch störende Bestandteile der Graphenschicht 6, beispielsweise im Bereich der Gegend Elektrodenanschlussplatte 22 entfernt werden, was in 18 dargestellt ist.
19 zeigt eine schematische geschnittene Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels eines graphenbasierten Sensors 1, welche den Einfluss der Formgebung einer Vertiefung 7 und 36 auf das Verhalten der Graphenschicht 6 beim nasschemischen Transfer auf die Infrastruktur 3 illustriert. Die Vertiefung 7 weist dabei eine kantige obere Berandung auf, so dass die Graphenschicht 6 einreißt. Demgegenüber weist die Vertiefung 36 eine abgerundete Begrenzung auf, so dass die Graphenschicht 6 bei gleicher Breite der Vertiefungen 7 und 36 nicht einreißt.
20 zeigt eine schematische Aufsicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines graphenbasierten Sensors 1.
21 zeigt zwei schematische geschnittene Seitenansichten des weiteren Ausführungsbeispiels des graphenbasierten Sensor 1 der 20.
Bei Ausführungsbeispielen wird die Trägerstruktur 3 vor dem nasschemischen Transfer der Graphenschicht 6 mit elastischen Zugkräften EZ vorgespannt, und wobei die Trägerstruktur 3 nach dem nasschemischen Transfer der Graphenschicht 6 derart geschwächt wird, dass sich eine Fläche der Öffnung 12 durch die elastischen Zugkräfte EZ vergrößert.
Bei Ausführungsbeispielen wird die Trägerstruktur 3 geschwächt, indem eine oder mehrere Opferstrukturen 38 der Trägerschicht 3 entfernt werden.
Die 20 beruht auf der 3, wobei die Verstärkungsrippen 20 Opferstrukturen 38 aufweisen.
Im oberen Teil der 21 ist eine Situation gezeigt, bei der sie plattenförmige Abdeckung 19 durch die noch vorhandenen Opferstrukturen 38 in der Trägerstruktur 3 vorgespannt ist, und wobei im unteren Teil der 22 eine Situation gezeigt ist, bei der die Opferstrukturen 38 in der Trägerstruktur 3, beispielsweise durch Ätzen, entfernt sind so dass die Fläche der Öffnung 12 vergrößert ist. Durch die Vergrößerung der Fläche der Öffnung 12 wird der erste Abschnitt 13 der Graphenschicht 6 gespannt, so dass der im oberen Teil der 21 gezeigte Durchhang des ersten Abschnitts 13 der Graphenschicht 6 beseitigt wird.
22 zeigt Schritte eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Herstellen eines graphenbasierten Sensors 1, wobei der graphenbasierte Sensor 1 jeweils in einer geschnittenen Seitenansicht dargestellt ist.
Im oberen Teil der 22 ist eine Situation dargestellt, bei der der erste Abschnitt 13 der Graphenschicht 6 auf der Durchhangsbegrenzungsstruktur 17 aufliegt. Hierdurch wird vermieden, der erste Abschnitt 13 der Graphenschicht 6 im Bereich der Öffnung 12 trotz der relativ großen Fläche der Öffnung 12 einreißt. Im unteren Teil der 22 ist eine Situation dargestellt, bei der der erste Abschnitt 13 der Graphenschicht 6, wie anhand der 20 und 21 beschrieben, gespannt wurde.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen sind lediglich veranschaulichend für die Prinzipien der vorliegenden Offenbarung. Es versteht sich, dass einem Fachmann Modifikationen und Variationen der Anordnungen und der vorliegend beschriebenen Einzelheiten ersichtlich werden. Es wird deshalb beabsichtigt, nur durch den Schutzumfang der anhängigen Patentansprüche beschränkt zu werden und nicht durch die speziellen Einzelheiten, die durch die Beschreibung und die Erklärung der Ausführungsformen vorliegend präsentiert sind.
Bezugszeichenliste

1: Sensor
2: Trägersubstrat
3: Trägerstruktur
4: Oberseite
5: Trennstruktur
6: Graphenschicht
7: Vertiefung
8: Kante
9: Erhöhung
10: Kante
11: Leiterbahn
12: Öffnung
13: erster Abschnitt der Graphenschicht
14: zweiter Abschnitt der Graphenschicht
15: Rahmen
16: Kontakt
17: Durchhangsbegrenzungsstruktur
18: Hohlraum
19: plattenförmige Abdeckung
20: Verstärkungsrippen
21: Elektrodenanschlussplatte
22: Gegenelektrodenanschlussplatte
23: elektrische Verbindungsmittel
24: Versorgungsanschlussplatte
25: Signalanschlussplatte
26: Graben
27: erste Siliziumdioxydabscheidung
28: erste Polysiliziumabscheidung
29: zweite Polysiliziumabscheidung
30: Öffnungen in der zweiten Polysiliziumabscheidung
31: Siliziumnitridabscheidung
32: Öffnungen in der Siliziumnitridabscheidung
33: zweite Siliziumdioxidabscheidung
34: Goldabscheidung
35: Ausnehmung im Trägersubstrat
36: Vertiefung
37: abgerundete Begrenzung der Vertiefung
38: Opferstruktur in Trägerstruktur
L1: Trennlinie zwischen erstem und zweitem Abschnitt
L2: Reißlinie
EZ: elastische Zugkräfte

Claims

Verfahren zum Herstellen eines graphenbasierten Sensors (1), wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Bereitstellen eines Trägersubstrates (2); Ausbilden einer Trägerstruktur (3) an dem Trägersubstrat (2), derart, dass an einer Oberseite (4) der Trägerstruktur (3) eine oder mehrere Trennstrukturen (5) ausgebildet werden; und nasschemischer Transfer einer Graphenschicht (6) auf die Oberseite (4) der Trägerstruktur (3), welche die Trennstrukturen (5) aufweist; wobei die Trennstrukturen (5) und eine Reißfestigkeit der Graphenschicht (6) so aufeinander abgestimmt sind, dass die Graphenschicht (6) bei dem nasschemischen Transfer jeweils an den Trennstrukturen (5) einreißt; wobei die Trägerstruktur (3) so ausgebildet wird, dass sie eine Öffnung (12) aufweist, und wobei der nasschemische Transfer so durchgeführt wird, dass ein erster Abschnitt (13) der Graphenschicht (6) die Öffnung (12) abdeckt, und dass ein zweiter Abschnitt (14) der Graphenschicht (6) einen die Öffnung (12) umgebenden Bereich der Trägerstruktur (3) abdeckt; wobei der Sensor (1) als Hall-Sensor (1), als Mikrophon (1) oder als Drucksensor ausgebildet wird, wobei der erste Abschnitt der Graphenschicht (13) zum Wandeln einer zu detektierenden physikalischen Größe in ein elektrisches Signal ausgebildet wird.
Verfahren nach vorstehendem Anspruch, wobei die Trägerstruktur (3) so ausgebildet wird, dass wenigstens eine der Trennstrukturen (5) als eine Vertiefung (7) ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Trägerstruktur (3) so ausgebildet wird, dass die Vertiefung (7) linienförmig ist und wenigstens eine längs der Vertiefung (7) verlaufende Kante (8) aufweist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Trägerstruktur (3) so ausgebildet wird, dass wenigstens eine der Trennstrukturen (5) als eine Erhöhung (9) ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Trägerstruktur (3) so ausgebildet wird, dass die Erhöhung (9) linienförmig ist und wenigstens eine längs der Erhöhung verlaufende Kante (10) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Trägerstruktur (3) so ausgebildet wird, dass die linienförmige Erhöhung (9) der wenigstens einen Trennstruktur (5) eine Leiterbahn (11) ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Trägerstruktur (3) so ausgebildet wird, dass wenigstens eine der Trennstrukturen (5) eine hydrophobe Oberfläche umfasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Trägerstruktur (3) so ausgebildet wird, dass die Graphenschicht (6) bei dem nasschemischen Transfer an den Trennstrukturen (5) so einreißt, dass zumindest ein Teil des zweiten Abschnitts (14) der Graphenschicht (6) elektrisch von dem ersten Abschnitt (13) der Graphenschicht (6) getrennt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Trägerstruktur (3) so ausgebildet wird, dass ein Rahmen (15) der Öffnung (12) als Kontaktstruktur mit einem oder mehreren Kontakten (16) ausgebildet wird, wobei die Kontakte (16) elektrisch mit dem ersten Abschnitt der Graphenschicht (6) verbunden werden, und wobei die Kontakte (16) jeweils als eine der Trennstrukturen (5) ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei an der Öffnung (12) eine Durchhangsbegrenzungsstruktur (17) ausgebildet wird, welche einen Durchhang des ersten Abschnitts (13) der Graphenschicht (6) bei dem nasschemischen Transfer der Graphenschicht (6) begrenzt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Trägerstruktur (3) vor dem nasschemischen Transfer der Graphenschicht (6) mit elastischen Zugkräften (EZ) vorgespannt wird, und wobei die Trägerstruktur (3) nach dem nasschemischen Transfer der Graphenschicht (6) derart geschwächt wird, dass sich eine Fläche der Öffnung (12) durch die elastischen Zugkräfte (EZ) vergrößert.
Verfahren nach dem vorstehenden Anspruch, wobei die Trägerstruktur (3) geschwächt wird, indem eine oder mehrere Opferstrukturen (38) der Trägerschicht (3) entfernt werden.
Verfahren zum Herstellen eines graphenbasierten Sensors (1), wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Bereitstellen eines Trägersubstrates (2); Ausbilden einer Trägerstruktur (3) an dem Trägersubstrat (2), derart, dass an einer Oberseite (4) der Trägerstruktur (3) eine oder mehrere Trennstrukturen (5) ausgebildet werden; und nasschemischer Transfer einer Graphenschicht (6) auf die Oberseite (4) der Trägerstruktur (3), welche die Trennstrukturen (5) aufweist; wobei die Trennstrukturen (5) und eine Reißfestigkeit der Graphenschicht (6) so aufeinander abgestimmt sind, dass die Graphenschicht (6) bei dem nasschemischen Transfer jeweils an den Trennstrukturen (5) einreißt; wobei die Trägerstruktur (3) so ausgebildet wird, dass wenigstens eine der Trennstrukturen (5) als eine Erhöhung (9) ausgebildet wird; wobei die Trägerstruktur (3) so ausgebildet wird, dass die linienförmige Erhöhung (9) der wenigstens einen Trennstruktur (5) eine Leiterbahn (11) ist.
Verfahren zum Herstellen eines graphenbasierten Sensors (1), wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Bereitstellen eines Trägersubstrates (2); Ausbilden einer Trägerstruktur (3) an dem Trägersubstrat (2), derart, dass an einer Oberseite (4) der Trägerstruktur (3) eine oder mehrere Trennstrukturen (5) ausgebildet werden; und nasschemischer Transfer einer Graphenschicht (6) auf die Oberseite (4) der Trägerstruktur (3), welche die Trennstrukturen (5) aufweist; wobei die Trennstrukturen (5) und eine Reißfestigkeit der Graphenschicht (6) so aufeinander abgestimmt sind, dass die Graphenschicht (6) bei dem nasschemischen Transfer jeweils an den Trennstrukturen (5) einreißt; wobei die Trägerstruktur (3) so ausgebildet wird, dass wenigstens eine der Trennstrukturen (5) eine hydrophobe Oberfläche umfasst.
Verfahren zum Herstellen eines graphenbasierten Sensors (1), wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Bereitstellen eines Trägersubstrates (2); Ausbilden einer Trägerstruktur (3) an dem Trägersubstrat (2), derart, dass an einer Oberseite (4) der Trägerstruktur (3) eine oder mehrere Trennstrukturen (5) ausgebildet werden; und nasschemischer Transfer einer Graphenschicht (6) auf die Oberseite (4) der Trägerstruktur (3), welche die Trennstrukturen (5) aufweist; wobei die Trennstrukturen (5) und eine Reißfestigkeit der Graphenschicht (6) so aufeinander abgestimmt sind, dass die Graphenschicht (6) bei dem nasschemischen Transfer jeweils an den Trennstrukturen (5) einreißt; wobei die Trägerstruktur (3) so ausgebildet wird, dass sie eine Öffnung (12) aufweist, und wobei der nasschemische Transfer so durchgeführt wird, dass ein erster Abschnitt (13) der Graphenschicht (6) die Öffnung (12) abdeckt, und dass ein zweiter Abschnitt (14) der Graphenschicht (6) einen die Öffnung (12) umgebenden Bereich der Trägerstruktur (3) abdeckt; wobei die Trägerstruktur (3) so ausgebildet wird, dass die Graphenschicht (6) bei dem nasschemischen Transfer an den Trennstrukturen (5) so einreißt, dass zumindest ein Teil des zweiten Abschnitts (14) der Graphenschicht (6) elektrisch von dem ersten Abschnitt (13) der Graphenschicht (6) getrennt wird.
Verfahren zum Herstellen eines graphenbasierten Sensors (1), wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Bereitstellen eines Trägersubstrates (2); Ausbilden einer Trägerstruktur (3) an dem Trägersubstrat (2), derart, dass an einer Oberseite (4) der Trägerstruktur (3) eine oder mehrere Trennstrukturen (5) ausgebildet werden; und nasschemischer Transfer einer Graphenschicht (6) auf die Oberseite (4) der Trägerstruktur (3), welche die Trennstrukturen (5) aufweist; wobei die Trennstrukturen (5) und eine Reißfestigkeit der Graphenschicht (6) so aufeinander abgestimmt sind, dass die Graphenschicht (6) bei dem nasschemischen Transfer jeweils an den Trennstrukturen (5) einreißt; wobei die Trägerstruktur (3) so ausgebildet wird, dass sie eine Öffnung (12) aufweist, und wobei der nasschemische Transfer so durchgeführt wird, dass ein erster Abschnitt (13) der Graphenschicht (6) die Öffnung (12) abdeckt, und dass ein zweiter Abschnitt (14) der Graphenschicht (6) einen die Öffnung (12) umgebenden Bereich der Trägerstruktur (3) abdeckt; wobei die Trägerstruktur (3) so ausgebildet wird, dass ein Rahmen (15) der Öffnung (12) als Kontaktstruktur mit einem oder mehreren Kontakten (16) ausgebildet wird, wobei die Kontakte (16) elektrisch mit dem ersten Abschnitt der Graphenschicht (6) verbunden werden, und wobei die Kontakte (16) jeweils als eine der Trennstrukturen (5) ausgebildet werden.
Verfahren zum Herstellen eines graphenbasierten Sensors (1), wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Bereitstellen eines Trägersubstrates (2); Ausbilden einer Trägerstruktur (3) an dem Trägersubstrat (2), derart, dass an einer Oberseite (4) der Trägerstruktur (3) eine oder mehrere Trennstrukturen (5) ausgebildet werden; und nasschemischer Transfer einer Graphenschicht (6) auf die Oberseite (4) der Trägerstruktur (3), welche die Trennstrukturen (5) aufweist; wobei die Trennstrukturen (5) und eine Reißfestigkeit der Graphenschicht (6) so aufeinander abgestimmt sind, dass die Graphenschicht (6) bei dem nasschemischen Transfer jeweils an den Trennstrukturen (5) einreißt; wobei die Trägerstruktur (3) so ausgebildet wird, dass sie eine Öffnung (12) aufweist, und wobei der nasschemische Transfer so durchgeführt wird, dass ein erster Abschnitt (13) der Graphenschicht (6) die Öffnung (12) abdeckt, und dass ein zweiter Abschnitt (14) der Graphenschicht (6) einen die Öffnung (12) umgebenden Bereich der Trägerstruktur (3) abdeckt; wobei die Trägerstruktur (3) vor dem nasschemischen Transfer der Graphenschicht (6) mit elastischen Zugkräften (EZ) vorgespannt wird, und wobei die Trägerstruktur (3) nach dem nasschemischen Transfer der Graphenschicht (6) derart geschwächt wird, dass sich eine Fläche der Öffnung (12) durch die elastischen Zugkräfte (EZ) vergrößert.