DE102019009136A1 - Verwendung von Diamant-Nanokristallen mit NV-Farbzentren zusammen mit MESA Leuchtstrukturen in CMOS-Schaltkreisen - Google Patents

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Abstract

Die Anmeldung betrifft ein quantentechnologisches, mikro-elektrooptisches oder photonisches oder mikroelektronisches System in CMOS-Technik. Das System umfasst ein Substrat (Sub) aus einem indirekten Halbleiter in einer MESA-Struktur (MESA), die gegenüber dem Substrat isoliert ist. Die MESA-Struktur weist einen ersten Bereich (E), einen zweiten Bereich (B) und einen dritten Bereich (C) auf. Das System umfasst darüber hinaus einen Nanopartikel (NP) mit einem Farbzentrum (FZ) und ein mikrooptisches Funktionselement (LWL2), das Teil des Substrats (Sub) ist. Der erste Bereich (E) und der dritte Bereich (C) weisen einen ersten Leitfähigkeitstyp auf. Der zweite Bereich (B) weist einen zweiten Leitfähigkeitstyp auf. Der zweite Bereich (B) ist zwischen dem ersten Bereich (E) und dem zweiten Bereich (C) angeordnet. Bei der MESA-Struktur (MESA) handelt es sich um eine PNP- oder NPN-MESA-Struktur. Die Breite des zweiten Bereichs (B) ist dabei kleiner als 3µm und/oder kleiner als 1µm und/oder kleiner als 500nm und/oder kleiner als 200nm und/oder kleiner als 100nm und/oder kleiner als 50nm und/oder kleiner als 25nm und/oder kleiner als 10nm. Der zweite Bereich (B) ist dazu geeignet und vorgesehen, bei Anlegen einer ausreichend hohen elektrischen Spannung Licht zu emittieren, das mit dem Farbzentrum (FZ) des Nanopartikels (NP) mittels des mikrooptischen Funktionselements (LWL2) zusammenwirkt.

Description

  • Oberbegriff
  • Die Erfindung richtet sich auf Vorrichtung und Verfahren zur Verwendung von funktionellen Nanopartikeln in integrierten CMOS-Schaltkreisen im Allgemeinen und von Diamant-Nanokristallen mit NV-Farbzentren in solchen CMOS-Schaltkreisen im Speziellen. Das von einem zweiten Bereich (B) einer MESA-Struktur emittierte Licht wirkt dabei mit einem Farbzentrum (FZ) des Nanopartikels (NP) mittels des mikrooptischen Funktionselements (LWL2) zusammen.
  • Allgemeine Einleitung
  • Für die Anwendung in quantentechnologischen Anwendungen werden heute bevorzugt NV-Zentren in Diamantkristallen verwendet. Diese werden optisch angesteuert und ausgelesen.
  • Für die massentechnologische Anwendung wäre es wünschenswert, NV-Zentren auf Silizium-Wafern herstellen zu können, um diese mit konventionellen mikro-elektrooptischen Systemen kombinieren zu können und so vom Stand der Technik in der Photonik, Plasmonik und Mikroelektronik profitieren zu können. Eine solche Lösung ist derzeit unbekannt, da die Verfahren zur Herstellung von Diamantschichten mit NV-Zentren aufgrund der auftretenden Temperaturen nicht CMOS-kompatibel sind.
  • In ihrem IEEE-Artikel M. I. Ibrahim, C. Foy, D. Kim, D. R. Englund, R. Han, „Room-Temperature Quantum Sensing in CMOS: On-Chip Detection of Electronic Spin States in Diamond Color Centers for Magnetometry‟ 2018 Symposium on VLSI Circuits Digest of Technical Papers schreiben die Autoren:„ Since the crystal orientation of nanodiamond is random, the effective Bz (hence the amount of splitting) for each orientation varies. As a result, spectral broadening, rather than splitting, is observed. Replacement of nanodiamond with single-crystal diamond addresses this issue.‟ Beispielsweise ist aus D. Kim,M. Ibrahim, C. Foy, M. E. Trusheim, R. Han, D. R. Englund, „CMOS-Integrated Diamond Nitrogen-Vacancy Quantum Sensor‟ arXiv:1810.01056v1 [physics.app-ph] 2 Oct 2018 die manuelle Kombination eines makroskopischen CVD-Diamanten mit NV-Zentren mit einem CMOS Ausleseschaltkreis bekannt. Es besteht also ein dringender Bedarf an einer Technologie zur gezielten Platzierung von Diamant-Nanokristallen auf CMOS-Wafern, um eine Massenproduktion zu ermöglichen und diese Schwierigkeiten zu umgehen.
  • Aus der DE 10 2012 025 088 A1 ist die Platzierung einzelner Kristalle mit Farbzentren auf einer Multi-Quantum-Well Diode in Form einer Einzelphotonenquelle bekannt. Diese dort offenbarte technische Lehre ermöglicht lediglich die direkte Kombination eines derartigen Farbzentrenkristalls mit einer Lichtquelle, deren Herstellung überdies nicht CMOS-kompatibel ist.
  • Aus der DE 10 2014 219 547 A1 ist die Platzierung von Kristallen als Beimengung zu einem Spin-On-Glas im Zusammenhang mit der Fertigung eines Drucksensors bekannt. Die Auslesung der Zustände der Farbzentren erfolgt durch eine externe Optik.
  • Aus der US 2005 0 218 397 A1 ist die Verwendung von NEMS-Antennen für einen Auslesekopf einer Festplatte bekannt.
  • Alle diese Schriften offenbaren keine Lösung für die Konstruktion eines kompakten Ein-Chip-Quantensensorsystems auf Basis von NV-Zentren, da sie die zuverlässige Fertigung eines solchen Systems und seine Konstruktion nicht offenbaren.
  • Aufgabe der Erfindung
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zu schaffen die die obigen Nachteile des Stands der Technik nicht aufweist und weitere Vorteile aufweist. Diese Aufgabe wird durch Vorrichtungen nach Ansprüchen 1 und 2gelöst.
  • Die Merkmale innerhalb der Beschreibung können soweit anwendbar miteinander kombiniert werden.
  • Die Beanspruchung ergibt sich aus den Ansprüchen.
  • Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe
  • Die Grundidee des Verfahrens zur Herstellung eines quantentechnologischen, mikro-elektrooptischen, mikroelektronischen oder photonischen Systems ist es, Nano-Diamanten mit NV-Zentren zu versehen und diese dann mit einem Trägermittel, beispielsweise Gelatine beispielsweise in wässriger Lösung oder in Lösung mit einem anderen geeigneten Lösungsmittel, oder ein ähnliches geeignetes Mittel, zu einer kolloidalen Lösung dieser Nano-Diamanten in dem Trägermittel zu verrühren. Es handelt sich somit um ein Montage-Prinzip für funktionale Nanopartikel in CMOS-Mikrosystemen. Dieses Prinzip lässt sich auf die Montage funktionaler Nanopartikel in CMOS-Schaltkreisen ganz allgemein erweitern.
  • Die Erfindung wird anhand der beispielhaften Figuren schematisch vereinfacht erläutert.
  • Figur 1
  • Diese Grundidee ist in 1 dargestellt: Zunächst gehen wir hier davon aus, dass die funktionalen Nanopartikel (NP) in ausreichend großen Mengen in gleicher Form vorliegen. Beispielhaft gehen wir hier davon aus, dass es sich bei den Nanopartikeln (NP) um Nanodiamanten mit einem Farbzentrum (FZ) handelt. Diese stehen hier beispielhaft für andere mögliche Nanopartikel mit möglicherweise anderen Eigenschaften und/oder anderen Farbzentren. Im Folgenden werden die Nanodiamanten daher auch mit dem Bezugszeichen NP bezeichnet, um dieses Beispielhafte für die Nanopartikel an sich darzustellen.
  • Die Nano-Diamanten (NP) mit Farbzentren (FZ) werden mit dem zuvor ausgewählten und in geeigneter Form, beispielsweise als wässrige Gelatinelösung, bereitgestelltem Trägermittel (TM) und ggf. einem Lösungsmittel (LM) zur Einstellung der Viskosität beispielhaft zur Vermischung in einen Behälter gegeben und verrührt (VR) bis eine kolloidale Mischung (KL) entsteht, die für die vorgesehene Weiterverarbeitung beispielsweise in einer Nachfolgenden Spin-On-Belackung oder einen Druckvorgang, beispielsweise einen Siebdruckvorgang und/oder einem Schablonendruck und/oder Tampon-Druck geeignet ist.
  • Wie bereits beschrieben, sind diese Verfahren prinzipiell nicht auf die Verwendung dieses Trägermittels (TM) (Gelatine in wässriger Lösung) und dieser Nanopartikeln (NP), nämlich Nano-Diamanten mit NV Farbzentren als Farbzentren (FZ) beschränkt. Beispielsweise können auch statt der Nano-Diamanten mit NV Farbzentren Silizium Nanopartikel als Nanopartikel (NP) mit SiV-Zentren als Farbzentren (FZ) verwendet werden, wenn diese für die Erfüllung des technischen Zwecks des herzustellenden Systems dienlich sind. Zur Vereinfachung der Beschreibung stellen wir hier nicht alle sinnvollen Varianten dar. Die Beanspruchung umfasst aber auch solche Kombinationen. Es können also auch andere Kombinationen aus Nanopartikeln (NP) anderer Materialien und anderer Trägermitteln (TM) und anderer Lösungsmittel (LM) verwendet werden, wenn die durch das herzustellende System zu lösende technische Aufgabe und die beabsichtigte Herstellungsmethode (Belacken und/oder Bedrucken und/oder lokales Benetzen) dies erfordert. Im Folgenden wird meistens nur der Begriff Belacken verwendet. Sofern Anwendbar sollen dieser Begriff auch die Begriffe Belacken, Beschichten und und/oder lokales Benetzen umfassen. Das Bezugszeichen (NP) steht hier also nicht nur für Nano-Diamanten, sondern auch für allgemeiner Nanokristalle und noch allgemeiner für Nanopartikel (NP), die auch Funktionselemente umfassen können.
  • Bei diesen Funktionselementen kann es sich um quantenmechanische Funktionselemente, wie beispielsweise Farbzentren und/oder elektromagnetische Funktionselemente wie beispielsweise Antennen und/oder nanoskalige Schaltungen und/oder elektronische Bauelemente und/oder elektronische Schaltungen und/oder Antennen etc. handeln.
  • Die Nanopartikel (NP) können amorph, glasartig, polykristallin oder mono-kristallin sein.
  • Die Nanopartikel (NP) können auch verschiedene Materialien und Schichten umfassen. Beispielsweise kann es sich um Silizium-Nanokristalle handeln, die von einer SiO2-Schicht eigehüllt sind. Aus dem Stand der Technik sind beispielsweise darüber hinaus zahlreiche verschiedene transparente Lacke bekannt, die ggf. auf ihre jeweilige Eignung als Trägermittel (TM) jeweils geprüft werden können.
  • Ganz besonders wird darauf hingewiesen, dass auf die vorgesehene Art und Weise auch losgelöste nanoskopische Vorrichtungen, wie beispielsweise losgelöste MEMS- oder NMES-Antennen oder andere nanoskopische Substrukturen platziert werden können. Die Nanopartikel (NP) können also nanoskopische Funktionselemente umfassen, deren Wirkprinzip elektromagnetisch und/oder optisch (was auch eine elektromagnetische Wechselwirkung ist.) und/oder mechanisch und/oder katalytisch ist.
  • Beispielsweise kann es sich bei den MEMS- und NEMS Strukturen um plasmonische Antennen aber eben auch um Nanopartikel (NP), insbesondere Nanodiamanten (ND), beispielsweise mit Farbzentren (FZ) (im Falle der Nanodiamanten beispielsweise um NV- und/oder H3-Zentren) oder anderen quantentechnologischen Funktionselementen handeln.
  • Es handelt sich somit bei dem hier beschriebenen Prozess um einen Montageprozess für eine große Menge von nanoskopischen, bevorzugt gleichartigen Objekten, die aber nicht notwendiger Weise gleichartige Objekte sein müssen.
  • Zur Herstellung der nanoskopischen Objekte (Nanopartikel (NP))
  • Solche nanoskopischen Objekte (Nanopartikel (NP)) können beispielsweise auf einem Wafer, beispielsweise einem Silizium-Wafer oder GaAs-Wafer oder einem Diamant-Wafer etc., in großer Anzahl durch die aus der Mikrotechnik bekannten fotolithografischen Methoden in einer ersten Gruppe von Verfahrensschritten hergestellt werden, dann in einer zweiten Gruppe von Verfahrensschritten beispielsweise nasschemisch von dem besagten Wafer abgelöst werden und durch Filtration aus dem nasschemischen Ätzmittel, das zur Ablösung verwendet wird, zur Verwendung in dem nachfolgenden Platzierungsprozess gewonnen werden.
  • Nanopartikel (NP) im Sinne dieser Schrift sind solche Objekte, die kleiner als 50µm, besser kleiner als 20µm, besser kleiner als 10µm, besser kleiner als 5µm, besser kleiner als 2µm, besser kleiner als 1µm, besser kleiner als 500nm, besser kleiner als 200nm, besser kleiner als 100nm, besser kleiner als 50nm, besser kleiner als 20nm, besser kleiner als 10nm, besser kleiner als 5nm, besser kleiner als 2nm, besser kleiner als 1nm sind.
  • Verfahren zur Herstellung des kolloidalen Lackes (KL)
  • Wir beziehen uns wieder auf die 1.
  • Durch die Vermischung von Nanopartikeln (NP) - hier den beispielhaften Nano-Diamanten - und dem Trägermittel (TM), hier beispielhaft wässriger Gelatine, entsteht eine verarbeitungsfähige fließfähige Masse, eine kolloidale Mischung in Form eines kolloidalen Lackes (KL). Durch Zugabe von mehr oder weniger Lösemittel (LM), hier beispielhaft Wasser, kann die Viskosität des kolloidalen Lackes (KL) in der Regel optimal eingestellt werden. Je nach Trägermittel (TM) eignen sich organische und anorganische Lösungsmittel (wie z.B. Alkohole und/oder Wasser) als Lösemittel (LM).
  • Verfahren zum Belacken eines planaren Substrats (Sub)
  • Um die funktionalen Nanopartikel (NP) mit einem planaren Substrat (Sub), beispielsweise einem CMOS-Wafer, kombinieren zu können, ist ein Verfahren zum Belacken planarer Substrate (Sub) mit dem zuvor beschriebenen kolloidalen Lack (KL) notwendig.
  • Das hier vorgestellte Verfahren sieht in seiner Grundversion vor, den so erstellten kolloidalen Lack (KL) auf das planare Substrat (Sub), bevorzugt ein Halbleitersubstrat - beispielsweise einen Silizium-Wafer -, beispielsweise durch Aufschleudern oder Aufsprühen aufzubringen. (Siehe 2.) Hinsichtlich der im Stand der Mikrotechnik möglichen Belackungsverfahren sei hier beispielhaft auf Marc J. Madou „Fundamentals of Microfabrication: the science of miniaturization" CRC Press 2002 verwiesen.
  • Die 2 stellt ein mögliches, dem entsprechende Belackungsverfahren beispielhaft dar. Der kolloidale Lack (KL) wird beispielhaft mittels eines Dispensers (DP), einer speziellen Dosiervorrichtung, bevorzugt im Symmetriezentrum des beispielhaften planaren Substrates (Sub), hier ein beispielhafter Wafers, auf dieses in einem bevorzugt vorbestimmten zeitlichen Mengenverlauf pro Zeiteinheit aufgebracht. Der Wafer, der hier das beispielhafte planare Substrat(Sub) darstellt, liegt in diesem Beispiel auf dem Drehteller einer Lackschleuder (SC). Dieser Drehteller der Lackschleuder (SC) rotiert mit einer prozesstypischen Geschwindigkeit typischerweise entsprechend einem prozesstypischen zeitlichen Geschwindigkeitsprofil. Die Auftragung und die Rotationsgeschwindigkeit können vom Zeitpunkt seit dem Beginn der Belackung beispielsweise durch den Dispenser (DP) abhängen, um ein optimales Ergebnis für die Belackung mit dem kolloidalen Lack (KL) und die Platzierung der Nanopartikel (NP) sicherzustellen. Sie folgen also bevorzugte einem Rotationsgeschwindigkeitsprofil bzw. einem zeitlichen Profil der Auftragungsmenge des kolloidalen Lacks (KL).
  • Die beispielhaften Schritte des Belackungsverfahrens sind in 3 beispielhaft schematisch und vereinfacht dargestellt. Das betreffende beispielhafte Belackungsverfahren der 3 beginnt mit dem Verfahrensbeginn (1). Es folgt das Bereitstellen (2) des planaren Substrates (Sub), bevorzugt also eines Halbleitersubstrates - beispielsweise eines Wafers -, und das Bereitstellen (3) des besagten kolloidalen Lackes (KL) in Form einer kolloidalen Lösung von Nanopartikeln (NP) in einem Trägermittel (TM) und ggf. einem zusätzlichen Lösungsmittel (LM). Dabei kann das Bereitstellen (2) des planaren Substrates (Sub) und das Bereitstellen (3) des kolloidalen Lackes(KM) in beliebiger Reihenfolge hintereinander oder gleichzeitig erfolgen. In dem Beispiel der Platzierung von Nanopartikeln (NP) mit Farbzentren (FZ) als funktionale Nanopartikelelemente sollten zumindest ein Teil, besser alle der Nanopartikel (NP) ein funktionales Element aufweisen. Im Falle der Platzierung von Nanokristallen als Nanopartikel (NP) und im Falle von Farbzentren (FZ) sollten alle Nanokristalle ein passendes Farbzentrum (FZ) aufweisen. Im Falle von Nanodiamanten als zu platzierende Nanopartikel (NP) sollten alle Nanodiamanten ein Farbzentrum (FZ), beispielsweise ein NV-Zentrum und/oder ein H3-Zentrum aufweisen.
  • Ganz besonders bevorzugt sollten alle der Nanopartikel (NP) die gleiche Anzahl der gleichen funktionalen Elemente aufweisen. Im Falle der Platzierung von Nanokristallen als Nanopartikel (NP) und im Falle von Farbzentren (FZ) sollten alle Nanokristalle ganz besonders bevorzugt die gleiche Anzahl und die gleichen Typen von Farbzentren (FZ) aufweisen. Im Falle von Nanodiamanten als zu platzierende Nanopartikel (NP) sollten alle Nanodiamanten die gleiche Anzahl an Farbzentren (FZ), beispielsweise NV-Zentren und/oder H3-Zentren aufweisen.
  • Ganz besonders bevorzugt sollten alle der Nanopartikel (NP) genau eines der funktionalen Elemente aufweisen. Dabei kann als funktionales Element auch eine Gesamtstruktur aus mehreren Unterstrukturen verstanden werden, die ein funktionales Element bilden. Beispielsweise kann es sich um mehrere Quantenpunkte handeln, die mit einander verschränkt werden können oder sonstwie gekoppelt sind. Bei diesen Quantenpunkten kann es sich beispielsweise um Farbzentren handeln.
  • Im Falle der Platzierung von Nanokristallen als Nanopartikel (NP) und im Falle von Farbzentren (FZ) kann es sinnvoll sein, wenn alle Nanokristalle genau ein Farbzentrum (FZ) aufweisen. Im Falle von Nanodiamanten als zu platzierende Nanopartikel (NP) bedeutet dies, dass dann alle Nanodiamanten die beispielsweise genau ein NV-Zentrum oder genau ein H3-Zentrum aufweisen.
  • Der kolloidale Lack (KL) wird später strukturiert und zu einem strukturierten kolloidalen Film (FM) auf dem planaren Substrat (Sub) gehärtet. Damit dieser spätere kolloidale Film (FM) auf der Oberfläche des planaren Substrates (Sub) haften kann, sollte der kolloidale Lack (KL) der funktionalen Nanopartikel (NP) zumindest Teile des planaren Substrates (Sub) benetzen können. Dies kann beispielsweise durch eine oder mehrere optionale vorausgehende Plasmabehandlungen (5) mit Wasserstoff oder Sauerstoff oder der Gleichen bekanntermaßen gesteuert werden. Hierbei können die Benetzungseigenschaften der Oberfläche mittels einer der Plasmabehandlung vorausgehenden Fotolithografie (4) auch in der Fläche moduliert (benetzend vs. nicht benetzend) ausgeführt werden.
  • Hierzu werden vor der Plasmabehandlung (5) einige Oberflächenbereiche beispielsweise mit Fotolack in dem besagten Fotolithografieschritt (4) selektiv abgedeckt und andere Bereiche, die behandelt werden sollen, nicht mit Fotolack abgedeckt, so dass diese dem Plasma ausgesetzt sind. Eine solche Modulation der Benetzungseigenschaften wäre somit ein weiterer optionaler zusätzlicher Arbeitsschritt in Form einer Fotolithografie (4), der denkbar ist. (Siehe 3)
  • Nach der Plasmabehandlung (5) wird typischerweise dann der Abdecklack wieder entfernt (6), wenn zuvor der besagte Fotolithografieschritt (4) durchgeführt wurde.
  • Es folgt dann das Belacken (7) des planaren Substrates (Sub) mit dem kolloidalen Lack (KL) der Nanopartikel (NP), um einen kolloidalen Film (FM) auf einer Oberfläche (OF) des planaren Substrats (Sub) zu erhalten. (sieh auch 2) Dies geschieht beispielsweise durch Ausschleudern und/oder Aufsprühen und/oder Aufdrucken eines zuvor erstellten kolloidalen Lackes (KL).
  • In der Regel wird der kolloidale Lack (KL) mit den darin enthaltenen nanokristallinen Nanopartikeln (NP) dann soweit zu einem kolloidalen Film (FM) ausgehärtet (8), dass er mechanisch für die weitere Verarbeitung ausreichend stabil ist, aber noch mittels anderer nachfolgender Verfahrensschritte strukturiert werden kann. Diese Strukturierung (9) des kolloidalen Filmes (FM) erfolgt in der Regel bevorzugt mit fotolithografischen Methoden. Eine solche Strukturierung (9) ist nicht unbedingt erforderlich. In einigen Anwendungen mag es ausreichen, den kolloidalen Lack (KL) mit einer der besagten Belackungsverfahren aufzutragen, also die Belackung (7) durchzuführen und den kolloidalen Lack (KL) dann direkt komplett auszuhärten (10). Die Strukturierung (9) ist aber neben den besagten fotolithografischen Verfahren auch mittels mikromechanischer Verfahren (Ritzen, Fräsen) denkbar. Auch können Excimer-Laser und Partikelstrahlen wie Elektronen und/oder lonenstrahlen zur Strukturierung verwendet werden. Entweder ist das Trägermaterial (TM) des kolloidalen Lackes (KL) bzw. des sich daraus ergebenden kolloidalen Films (FM) selbst ein Fotolackmaterial und damit der kolloidale Lack (KL) ein Fotolack oder der Fotolack wird auf den kolloidalen Lack (KL) als drüber liegende Schicht aufgebracht. Im letzteren Fall sollte der Fotolack so gewählt werden, dass er selektiv von dem kolloidalen Lack (KL) bzw. kolloidalen Film (FM) strukturiert werden kann und der kolloidale Lack (KM) bzw. kolloidale Film (FM) selektiv vom Fotolack strukturiert werden kann.
  • Bevorzugt ist aber eine Variante des kolloidalen Lackes (KL) mit einem fotoempfindlichen Trägermaterial (TM), beispielsweise einem geeigneten fotoempfindlichen Polyimid.
  • Es erfolgt dann die bevorzugt fotolithografische oder mikromechanische Strukturierung (9) des kolloidalen Lackes (KL) zum kolloidalen Film (FM). Nach der Strukturierung (9) erfolgt typischerweise die finale Aushärtung (10) des kolloidalen Filmes (FM).
  • Mittels des vorgeschlagenen Verfahrens ist es somit möglich, beliebige Nanopartikel (NP) und funktionale Nanopartikel (NP) gezielt auf einem Wafer, insbesondere auf einem CMOS-Wafer, lokalisiert zu platzieren.
  • Bevorzugte Natur der Nanopartikel(NP)
  • Besonders bevorzugt handelt es sich bei den Nanopartikeln (ND) um Nanokristalle mit einer Kristallgröße kleiner 1µm und/oder kleiner 500nm und/oder kleiner 250nm und/oder kleiner 100nm und/oder kleiner 50nm und/oder kleiner 25nm und/oder kleiner 10nm und/oder kleiner 5nm und/oder kleiner 2,5nm und/oder kleiner 1nm.
  • Ganz besonders bevorzugt ist die Verwendung von Diamant-Nanokristallen und/oder Si-Nanokristallen.
  • Bevorzugt weisen die Nanopartikel (NP) ein Funktionselement auf. Bei diesem Funktionselement handelt es sich bevorzugt um ein Farbzentrum (FZ), das dazu geeignet und vorgesehen ist, mit vordefinierter elektromagnetischer Strahlung und/oder vordefinierten elektromagnetischen Feldern in Wechselwirkung insbesondere durch Absorption und/oder Abstrahlung zu treten.
  • Im Falle von Nanodiamanten als Nanopartikel (NP) handelt es sich bei zumindest einem Farbzentrum (FZ) bevorzugt um ein NV-Zentrum (NV) in dem Diamant-Nanokristall.
  • Im Falle von Nano-Silizium-Kristallen als Nanopartikel (NP) handelt es sich bei zumindest einem Farbzentrum (FZ) bevorzugt um ein SiV-Zentrum in dem Siliziumnanokristall
  • Im Falle von Nanodiamanten als Nanopartikel (NP) handelt es sich bei zumindest einem Farbzentrum (FZ) bevorzugt um ein H3-Zentrum in dem Diamant-Nanokristall.
  • Ein Nanokristall als Nanopartikel (NP) kann dabei mehrere Farbzentren (FZ) gleicher oder verschiedener Art aufweisen. Bevorzugt weist jeder Nanokristall zumindest ein geeignetes Farbzentrum (FZ) auf. Noch besser weist jeder Nanokristall zumindest genau ein geeignetes Farbzentrum (FZ) auf. Noch besser weist jeder Nanokristall zumindest genau ein geeignetes Farbzentrum (FZ) einer Farbzentrenart auf. Noch besser weist jeder zumindest genau ein geeignetes Farbzentrum (FZ) einer Farbzentrenart und kein Farbzentrum einer anderen Farbzentrenart auf. Noch besser weisen alle Nanokristalle jeder für sich genau ein geeignetes Farbzentrum (FZ) einer ersten Farbzentrenart und kein Farbzentrum einer anderen Farbzentrenart auf. Dies sind jedoch keine zwingenden Anforderungen.
  • Auch ist die Verwendung von Nanokristallen aus Ill/V-Material und/oder II/VI-Material und/oder einem direkten Halbleitermaterial oder von Mischungen derselben als Nanopartikel (NP) denkbar. Als Farbzentrum (FZ) kann hier eine potenzielle monofrequente Anregungsfähigkeit eines elektromagnetischen Funktionselements eines solchen Nanopartikels (NP) mit einem einzelnen Photon verstanden werden.
  • Insofern können Nanopartikel (NP) auch elektromagnetisch wechselwirkende Nanostrukturen, beispielsweise nanomechanische elektromagnetische und/oder elektromechanische Resonatoren und/oder Antennenstrukturen sein, die eine durch ein einzelnes Photon elektromagnetisch anregbare Resonanzfrequenz aufweisen. Im Extremfall kann es sich auch um punktförmige, linienförmige oder flächenhafte Kristallfehler handeln.
  • Es handelt sich hier also um eine Methode zur gezielten ortsaufgelösten Platzierung einzelner funktionaler Nanopartikel (NP) in nanoskopischen Stäuben auf einem planaren Substrat (Sub).
  • Verfahren zur Herstellung vorgeformter Nanopartikel (NP)
  • 4 zeigt ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung vorgeformter Diamant-Nanopartikel (ND) als Beispiel für die mikrotechnologische Herstellung funktionaler Nanopartikel (NP). Der Prozess ist prinzipiell auf andere Materialen als Silizium als Wafer-Material übertragbar, wenn die entsprechenden Ätzmittel angepasst werden.
  • Als erstes wird ein Abscheidesubstrat (W), beispielsweise ein Silizium-Wafer bereitgestellt (4a). Auf diesem Abscheidesubstrat (W) wird eine funktionale Schicht, beispielsweise eine Diamantschicht, abgeschieden (4b). Aus dem Stand der Technik sind verschiedenste Verfahren zur Abscheidung von Diamantschichten beispielsweise mittels CVD-Verfahren bekannt, sodass diese hier nicht weiter erläutert werden müssen. Beispielhaft sei hier auf das Buch Koji Kobashi, „Diamond Films: Chemical Vapor Deposition for Oriented and Heteroepitaxial Growth" Elsevier Science, 30th November 2005, ISBN 9780080447230 hingewiesen.
  • Bevorzugt wird ein Verfahrensschritt zur Reduktion der Wasserstoffkonzentration in einem solchen Verfahren durchgeführt, um überschüssigen Wasserstoff aus der mittels CVD abgeschiedenen Diamantschicht zu entfernen. Bevorzugt handelt es sich um eine Temperaturbehandlung bei hoher Temperatur und bevorzugt bei hohem Druck. Ganz besonders bevorzugt erfolgt dies während der Abscheidung zyklisch mit der Abscheidung, um die niedrige Diffusionsrate in Diamant unwirksam zu machen. Typischerweise werden Diamantschichten in Anwesenheit von Wasserstoff abgeschieden, was die Ausbildung von NV Zentren im Diamant verhindert. Durch die zyklische Abscheidung kann der Wasserstoff trotz der niedrigen Diffusionsrate aus den wenigen abgeschiedenen Schichten ausdiffudieren und die Schicht verlassen. Auf diese Weise kann der Wasserstoffgehalt abgesenkt werden.
  • Auch ist die Dotierung der Diamantschicht mit Dotierstoffen zur Erhöhung der NV-Zentren-Ausbeute, zu empfehlen. Hier kommt beispielsweise eine Dotierung der Diamantschicht mit Schwefel in Betracht. Die Dotierung kann während der Abscheidung und/oder durch Ionen-Implantation erfolgen.
  • Bevorzugt weist die Diamantschicht eine vorbestimmte Kristallausrichtung auf. Zum Wachstum vororientierter Diamantschichten sei auf den Stand der Technik verwiesen.
  • Bevorzugt ist die Diamantschicht isotopenrein, um die Interaktion zwischen den NV-zentren und dem Diamant-Gitter in einem vordefinierten Verhältnis zu halten. Bevorzugt handelt es sich um eine isotopenreine Diamantschicht aus C12 Kohlenstoff oder alternativ aus C13-Kohlenstoff oder alternativ aus C14-Kohlenstoff. Isotopenrein bedeutet hierbei, dass das betreffende Isotop dominiert und die Konzentration der jeweils anderen Kohlenstoff-Isotope gegenüber ihrem Anteil in natürlichen Kohlenstoffvorkommen um mindestens einen Faktor 10 reduziert ist.
  • Nach dem Abscheiden einer geeigneten funktionalen Schicht (D) werden dann beispielsweise durch Einzelionenimplantation die Farbzentren (FZ) an bevorzugt vorbestimmten Positionen in der funktionalen Schicht (D) erzeugt.
  • Als beispielhafte Literatur hierfür kann genannt werden:
    • • Burchard B., Meijer J., Rangelow I., Bischoff L.; „NM Scale Resolution Single Ion Implantation Into Diamond for Quantum Dot Production" 15th European Conference on Diamond, Diamond-Like Materials, Carbon Nanotubes, Nitrides and Silicon Carbide (DIAMOND 2004), At 12-17 September 2004 • Riva del Garda, Italy;
    • • Meijer, J, Rangelow, I., Burchard, B.; „A Set Up for Quantum Dot Generation by Means of Ultra High Resolution Single Ion Implantation“ WE_Heraeus-Seminar, Bad Honnef, Germany 13.-15.Oct. 2003;
    • • Meijer, J., Pezzagna, S., Vogel, T., Burchard, B., Bukow, H.H., Rangelow, I.W., Sarov, Y., Wiggers, H., Plümel, I., Jelezko, F., Wrachtrup, J., Schmidt-Kaler, F., Schnitzler, W., Singer, K., „Towards the implanting of ions and positioning of nanoparticles with nm spatial resolution" Appl. Phys. A 91, 567-571 (2008).
  • In einem letzten Schritt werden die funktionalen Nanopartikel (NP) von dem Abscheidesubstrat (W) abgelöst (4e).
  • Bevorzugt werden die Nanopartikel (NP) bei dem Verfahren der 4 als Nanokristalle mit einer festgelegten Kristallausrichtung relativ zur Oberfläche des Abscheidesubstrats (W) gefertigt. Bevorzugt haben die Nanopartikel (NP) dann eine nicht vollsymmetrisches Struktur, sondern weisen eine reduzierte oder nicht vorhandene Symmetrie auf.
  • Werden beispielsweise auf diese Weise Nanodiamanten als Nanopartikel (NP) gefertigt, so können NV-Zentren als Farbzentrum (FZ) gefertigt werden. Deren optischen, elektromagnetischen und quantenmechanischen Eigenschaften hängen von der Kristallrichtung ab. Beispielsweise ist es sinnvoll, wenn die [111] Richtung der Nanodiamanten nach der Montage mit dem Pointing-Vektor des einstrahlenden elektromagnetischen Felds und/oder der Richtung der Flussdichte B eines externen elektromagnetischen Feldes zusammen fällt. Hierfür ist es sinnvoll, die Nanopartikel (NP), hier beispielhaft die Nanodiamanten, mit einer geeigneten mechanischen Form zu versehen, so dass sie sich in vorbestimmter Weise auf der Oberfläche des späteren Zielsubstrats, dem planaren Substrat (Sub), anordnen.
  • Es sind darüber hinaus verschiedene weitere Methoden zur Herstellung der beispielhaften Diamant-Nanokristalle als Nanopartikel (NP) mit beispielhaften NV-Zentren als Farbzentren (FZ) bekannt. Als Beispiele können hier folgende Schriften genannt werden:
    • • Xerui Song, GuanzHong Wang, Xiaodi Lui, Fupan Feng, „Generation of nitrogen-vacancy color center in nano-diamonds by high temperature annealing", Applied Physics Letters 102(13), April 2013;
    • • Taras Plakhotnik, Haroon Aman, „NV-centers in Nano-diamonds: How good they are" Diamond and Related Materials 82, December 2017;
    • • Bradley R. Smith, David W. Inglis, Bjomar Sandness, Taras Plakhotnik, „Five-Nanometer Diamond with Luminescent Nitrogen-Vacancy Defect Centers" Small 5(14):1649 - 1653; March 2009,
    • • „Photoluminescence of color centers in nanodiamonds“ in „Nanodiamonds“ p. 155-181;
    • • Huang-Cheng Chang, Wesley Wie-Wen Hsiao, „Fluorescent Nanodiamonds", Wiley; Auflage: 1 (12. September 2018);
    • • Jean-Charles Arnault „Nanodiamonds: Advanced Material Analysis, Properties and Applications (Micro and Nano Technologies)", Elsevier; Auflage: 1 (25. April 2017);
    • • Vadym N. Mochalin, Yury Gogotsi, „Nanodiamond-polymer composites" Diamond & Related Materials 58 (2015) 161-171.
  • Die obige Liste ist nicht vollständig. Keine der obigen Schriften befasst sich mit dem Einbau der Nanokristalle in mikrooptische Systeme oder CMOS-Schaltungen, was ein wesentliches Hindernis für eine Serienfertigung ist.
  • 5 zeigt einen anderen Prozess, bei dem ein nicht weiter strukturiertes Abscheidesubstrat (W), beispielsweise aus Diamant als monokristalliner oder poly-Kristalliner Diamant-Wafer mit bevorzugt definierter Kristallausrichtung, bereitgestellt wird (5a). Bevorzugt ist der Diamantwafer isotopenrein. Alternativ kann der Diamant-Wafer auch einen reduzierten Anteil andere Kohlenstoff-Isotope aufweisen.
  • Sodann werden die Farbzentren (FZ), beispielsweise die NV-Zentren, in dem Substrat (W) gefertigt (5c). Dies kann beispielsweise durch Ionenimplantation von Stickstoff und anschließende Temperaturbehandlung erfolgen. Es folgt die Strukturierung beispielsweise mittels Fotolithografie und RIE-Plasmaätzung (5d). In einem letzten Schritt werden die Nanopartikel (NP, hier die beispielhaften Nanodiamanten, beispielsweise durch Unterätzung von dem Abscheidesubstrat (W) abgelöst. Statt eines Diamantsubstrates als Abscheidesubstrat (W) kann beispielsweise auch ein Silizium-Wafer oder ähnliches verwendet werden. Als Farbzentrum eignet sich dann im Falle eines Silizium-Wafers beispielsweise ein SiV-Zentrum.
  • Nanoskopische Objekte als Nanopartlkel(NP)
  • Bei der Ausarbeitung der Erfindung wurde erkannt, dass die Platzierung nanoskopischer Objekte ganz allgemein ein Problem ist. Es geht nämlich nicht nur darum die nanoskopischen Objekte an einem bestimmten Ort beispielsweise auf einem Wafer mit beispielsweise einer Vielzahl von photonischen System zu platzieren, sondern auch darum die nanoskopischen Objekte, die als Nanopartikel (NP) verwendet werden, auszurichten, da die funktionellen Eigenschaften, insbesondere die quantenoptischen Eigenschaften, von der Orientierung innerhalb des Nanopartikels (NP) abhängen. Hierfür ist es vorteilhaft, wenn der Umriss eines solchen Nanopartikels (NP)und die Kristallstruktur des Materials eines solchen Nanopartikels (NP) relativ zum Umriss eines solchen Nanopartikels (NP) festzulegen.
  • Durch einen asymmetrischen Umriss eines solchen Nanopartikels (NP) kann eine bevorzugte Anlagerungsrichtung des Nanopartikels (NP) an mikrofluidische Strukturen auf dem planaren Substrat (Sub) bei der Belackung (siehe 2) mit dem kolloidalen Lack (KL) der Nanopartikel (NP) erreicht werden. Hierzu später mehr.
  • Platzierungsunterstützung für die Nanopartikel (NP) durch mikrofluidische Funktionselemente
  • Bei der Ausarbeitung der Erfindung stand als Erstes die Verwendung einer in der Mikrotechnik üblichen Lackschleuder (SC) (Englisch Spin-Coater) im Vordergrund. Es wurde dabei erkannt, dass der Verlauf des kolloidalen Lackes (KL) beim Aufschleudern des kolloidalen Lackes (KL) durch mikrofluidische Strukturen auf dem planaren Substrat (Sub) gesteuert werden kann.
  • 6 zeigt eine beispielhafte mikrofluidische Struktur zur Unterstützung der Platzierung und ggf. Ausrichtung der Nanopartikel (NP) während des Belackens des planaren Substrates (Sub) mit dem kolloidalen Lack (KL).
  • Die mikrofluidische Struktur besteht aus einer ersten Teilstruktur, der Leitstruktur (LS), deren Zweck es ist, eine vorbestimmte Menge an Nanopartikeln (NP) innerhalb des kolloidalen Lackes (KL) während des Vorbeiströmens im Belackungsvorgang einzufangen und in Richtung der Fangstruktur (FS) für den Nanopartikel (NP) zu leiten.
  • Die Leitstruktur (LS) ist also dadurch gekennzeichnet, dass sie die Bewegung der Nanopartikel (NP) nicht verhindert, sondern auf ein Ziel hin ausrichtet. Daher sollte die Leitstruktur sich an der Belackungsflussrichtung (FR) des kolloidalen Lackes (Kl) während der Belackung ausrichten. Im Falle eines rotationssymmetrischen Wafers als planares Substrat (Sub) sollte die vorzugsweise vorhandene Symmetrieachse (SA) auf die Rotationsachse (RA) der Belackungsschleuder (SC) (siehe auch 1) ausgerichtet sein. Daher ist es sinnvoll diese mikrofluidischen Strukturen nicht durch Belichtung eines Fotolackes mittels eines Steppers sondern durch Belichtung eines Fotolackes mittels einer Ganz-Wafer-Maske und einer Lichtquelle mit Optik herzustellen.
  • In dem Beispiel der 6 besteht die Leitstruktur (LS) aus zwei Nuten, die bevorzugt durch Mikrostrukturierung auf dem planaren Substrat (Sub) vor der Belackung mit dem kolloidalen Lack (KL) hergestellt werden. Ggf. wird das planare Substrat (Sub) vor der Herstellung dieser mikrofluidischen Funktionselemente (LS, FS, FS1, FS2) poliert. Handelt es sich beispielsweise um einen CMOS-Wafer, so ist es sinnvoll diesen vor der Herstellung der mikrofluidischen Funktionselemente (LS, FS, FS1, FS2) beispielsweise mittels CMP zu polieren.
  • In dem Beispiel der 6 weist die mikrofluidische Struktur als zweite Teilstruktur eine Fangstruktur (FS) mit mehreren Unterteilstrukturen (FS1, FS2) auf, deren Aufgabe es ist, möglichst zumindest einen Nanopartikel (NP) zu fixieren. In dem Beispiel der 6 geschieht dies durch eine erste Fangteilstruktur (FS1), die die Entkommenswahrscheinlichkeit eines einmal eingefangenen Nanopartikels (NP) vermindert. In dem Beispiel der 6 handelt es sich um eine Struktur, die bevorzugt im gleichen Arbeitsschritt wie die Leitstruktur (LS) hergestellt wird. Hier handelt es sich beispielhaft um eine Feder-Struktur, die aus der Oberfläche des planaren Substrats (Sub) herausragt. Die erste Fangteilstruktur (FS1) bildet in dem Beispiel der 6 einen U-förmigen Becher, der zur Leitstruktur (LS) hin geöffnet ist. Zusätzlich zur ersten Fangteilstruktur (FS1) weist in dem Beispiel der 1 die Fangstruktur (FS) noch beispielhaft eine zweite Fangteilstruktur auf, die durch eine beispielhafte Vertiefung (FS2) gebildet wird, die in die Oberfläche des planaren Substrats (Sub) beispielsweise durch Ätzung gefertigt ist.
  • Die 6a stellt eine schematische, vereinfachte Aufsicht auf die beispielhafte mikrofluidische Struktur dar. Die 6b stellt einen schematischen, vereinfachten Querschnitt längs der Strecke A->B der 6a dar. Die 6c stellt einen schematischen, vereinfachten Querschnitt längs der Strecke A'->B' der 6a dar.
  • Somit führen beispielsweise spitz aufeinander zum Rand hinzulaufende Rippen als Leitstruktur (LS) zu einer erhöhten Wahrscheinlichkeit einer Platzierung eines Nanopartikels (NP)s in einer Vertiefung als zweite Fangteilstruktur (FS2) in der Oberfläche des planaren Substrats (Sub) am Ende dieser Struktur, wenn diese entsprechend der Belackungsflussrichtung (FR) ausgerichtet ist.
  • Eine besondere Schwierigkeit der Fertigung ergibt sich nun dadurch, dass diese Fangstrukturen (FS) und Leitstrukturen (LS) bevorzugt symmetrisch auf das Zentrum des typischerweise runden Wafers, das identisch mit der Rotationsachse (RA) der Lackschleuder (SC) sein solle, ausgerichtet werden sollten, da die Zentrifugalkräfte diese Rotationssymmetrie aufweisen. Dies ist in 7 für die Strukturen der 6 beispielhaft und nicht maßstabsgerecht nur zur Veranschaulichung sehr stark vereinfacht in prinzipieller Weise zur Verdeutlichung dargestellt.
  • Diese rotationssymmetrische Anordnung führt dazu, dass bei der Herstellung zumindest der mikrofluidischen Strukturen (Fangstrukturen FS und Leitstrukturen LS) der Wafer (planares Substrat Sub) bei der Belichtung im Stepper bevorzugt gedreht werden muss, was einen besonderen Stepper erfordern würde und sehr teuer ist. Eine preiswerte Alternative ist die Verwendung einer Ganz-Wafer-Maske, wie sie in der Mikromechanikfertigung an vielen Stellen noch üblich ist. Dies ist insbesondere deshalb sinnvoll, weil die mikrofluidischen Strukturen ohnehin typischerweise eher makroskopisch im Bereich von µm sind. Durch die mikrofluidischen Funktionselemente (FS, LS, FS1, FS2) wird also der Lackfluss des kolloidalen Lackes (KL) und damit die Bewegung der Nanopartikel (NP) während der Belackung (z.B. 2) gesteuert.
  • Zumindest eines der mikrofluidischen Funktionselemente (FS, LS, FS1, FS2) ist somit bevorzugt dazu vorgesehen und/oder geeignet, während des Belackens oder Beschichten und/oder lokalen Benetzens des planaren Substrates (Sub) mit dem kolloidalen Lack (KL) mit einen der Nanopartikel (NP) in mechanische oder strömungsmechanische Wechselwirkung zu treten, um letztlich dessen Platzierung und ggf. Ausrichtung zu beeinflussen. Natürlich ist es denkbar, dass weitere mikrofluidische Funktionselemente vorgesehen werden, die u.U. gar nichts mit dem Herstellungsprozess zu tun haben, sondern die beispielsweise erst im späteren Betrieb des Systems eine Funktion übernehmen werden. Dies kann beispielsweise bei medizinischen Anwendungsfällen der Systeme für die Kontrolle von Körperflüssigkeiten etc. sinnvoll sein. Es ist sinnvoll, die weiteren mikrofluidischen Funktionselemente zumindest teilweise mit den zur Platzierung der Nanopartikel (NP) vorgesehenen mikrofluidischen Funktionselementen (FS, LS, FS1, FS2) zusammen zu fertigen.
  • Wie bereits erwähnt, ist es typischerweise aber nicht immer vorteilhaft, ggf. zu fertigende mikroelektronische Schaltungsteile in dem planaren Substrat (Sub) vor den mikrofluidischen Funktionselementen (FS, LS, FS1, FS2) im Prozessablauf zu fertigen. Dies trifft typischer Weise auch auf mikrooptische Funktionselemente zu.
  • Zur bevorzugten Natur des planaren Substrates (Sub)
  • Das planare Substrat (Sub) umfasst bevorzugt einen Halbleiter-Wafer und/oder ein anderes Halbleitersubstrat und/oder einen Silizium-Wafer und/oder einen ein GaAs-Wafer und/oder einen Wafer aus IV-Material und/oder einen Wafer aus Ill/V-Material und/oder einen Wafer aus II/VI-Material und/oder einen Wafer aus Mischungen solcher Materialien und/oder einen Germanium-Wafer und/oder einen mono- oder polykristallinen Diamant-Wafer und/oder einen Glas-Wafer und/oder einen Keramik-Wafer und/oder oder ein Metallblech und/oder eine Kunststoffplatte. Das planare Substrat (Sub) ist bevorzugt zumindest in Teilen elektrisch halbleitend.
  • Ggf. können dies Wafer sein, die durch Klebung oder ähnliches zu Wafer-Paketen gestapelt werden und fotolithografisch oder in ähnlicher Weise strukturiert werden.
  • Bevorzugt umfasst das planare Substrat (Sub) eine mikrointegrierte Schaltung. Das planare Substrat (Sub) ist daher bevorzugt zumindest in Teilen elektrisch halbleitend.
  • Es ist für die hier offengelegte Technik somit besonders vorteilhaft, wenn bereits vor dem Einbringen der Nanopartikel (NP) ein Verfahren zur Herstellung elektronischer Bauelemente auf dem Halbleitersubstrat und/oder zur Herstellung elektronischer CMOS-Bauelemente auf dem Halbleitersubstrat durchgeführt wird.
  • Bevorzugt handelt es sich somit bei dem planaren Substrat (Sub) um einen CMOS- oder BICMOS-Wafer, der eine mikroelektronische Schaltung zur Ansteuerung einer Lichtquelle und/oder ein lichtempfindliches Bauelement (z.B. eine Fotodiode) zur Erfassung der Lumineszenz des Farbzentrums (NV) und/oder eine mikroelektronische Schaltung zur Auswertung des Messsignals dieses lichtempfindlichen Bauelements aufweist.
  • Bevorzugt kann es sich bei dem planaren Substrat (Sub) um MEMS-Wafer handeln, der zumindest ein mikromechanisches und/oder mikroelektromechanisches Funktionselement, beispielsweise eine Membrane und/oder einen Cantilever (=Balken oder Träger) aufweist. Es kann sich auch um einen Co-integrierten CMOS-MEMS-Wafer und/oder BICMOS-MEMS-Wafer handeln.
  • Beispielhaftes CMOS-System mit Nanopartikeln (NP)
  • 8 zeigt schematisch und grob vereinfacht einen Schnitt durch ein beispielhaftes System, um den Inhalt des vorausgegangenen Vorschlags zu verdeutlichen. Basis der beispielhaften Vorrichtung ist das planare Substrat (Sub). Hierbei soll es sich beispielhaft zur Verdeutlichung um ein Silizium-Wafer-Stück mit einer p-Leitfähigkeit handeln, wie er in der CMOS-technik heute üblich ist. Vor dem Einbringen der Nanopartikel (NP) wurde beispielhaft ein CMOS-Prozess mit dem beispielhaften planaren Substrat (Sub), hier dem Silizium-Wafer, durchgeführt. Bei diesem wurde eine mikroelektronische Schaltung auf dem Silizium-Wafer hergestellt, wodurch dieser zu einem CMOS-Wafer wurde. Symbolisch für eine solche mikroelektronische Schaltung ist ein einzelner MOS-Transistor vereinfacht schematisch angedeutet. Durch diese vereinfachte Darstellung soll sichergestellt werden, dass das Grundprinzip ohne verwirrende Details deutlich wird. Die vereinfachte Darstellung soll die Ko-Integration zum Ausdruck bringen, einige Wirkungspfade darstellen. Eine Funktionstüchtigkeit kann aufgrund der Komplexität der dann erforderlichen Darstellung hier nicht dargestellt werden.
  • Der beispielhaft dargestellte MOS-Transistor umfasst in diesem Beispiel eine N-Wanne (NW) in dem planaren P-Substrat (Sub). Der angedeutete beispielhafte MOS-Transistor weist ein Source-Gebiet (Sr), ein Drain-Gebiet (Dr), einen Source-Kontakt (SrK) zur Kontaktierung des Source-Gebiets (Sr), einen Drain-Kontakt (DrK) zur Kontaktierung des Drain-Gebiets (Dr), ein Gate-Oxid (GOX), ein Feld-Oxid (FOX), ein Abdeckoxid (AOX) und ein Gate (GA). Oberhalb dieser mikroelektronischen Bauelemente befindet sich der Metallisierungsstapel der mikrointegrierten Schaltung, angedeutet durch eine zweite elektrisch nach oben und unten isolierte und strukturierte zweite Metalllage (M2L). In der Realität sind die CMOS-Strukturen wesentlich komplizierter. Sie umfassen typischerweise beispielsweise mehrere Lagen aus Metall und polykristallinem Silizium. Es wird hier daher auf den einschlägigen Stand der Technik zu mikroelektronischen Schaltkreisen verwiesen. Die der Verdeutlichung dienende Struktur der Vorrichtung der 8 umfasst beispielhafte mikrooptische Komponenten in Form von beispielhaften Lichtwellenleitern (LWL1, LWL2). Diese sollen in dem Verdeutlichungsbeispiel der 8 mit einem Farbzentrum (FZ) und einem Nanopartikel (NP) zusammenwirken. Bevorzugt kann es sich bei dem Nanopartikel (NP) um einen Nanodiamanten mit einem NV-Zentrum als Farbzentrum (FZ) handeln. Der Nanopartikel (NP) ist mittels der Leitstruktur (LS) und der ersten Fangstruktur (FS2) in der Vertiefung der zweiten Fangstruktur (FS2) platziert worden. Der kolloidale Lack (KL) bedeckt im Bereich der Leitstruktur (LS) und im Bereich der Fangstruktur (FS1, FS2) die Oberfläche der Vorrichtung um die Position des Nanopartikels (NP) in der Vertiefung der zweiten Fangstruktur (FS2) zu fixieren. Das Trägermaterial (TM) des kolloidalen Lackes (KL) muss nach dem Aushärten für die zu verwendende Strahlung des Farbzentrums (FZ) und ggf. für die Pumpstrahlung einer Pumplichtquelle ausreichend transparent sein. Die zweite Fangstruktur (FS2) ist mit dem Trägermaterial (TM) des kolloidalen Lackes (KL) bevorzugt gefüllt. Die Schicht des kolloidalen Lackes (KL) ist in dem Beispiel der 8 fotolithografisch auf den Bereich der Fangstruktur (FS) und der Leitstruktur (LS) begrenzt worden. Dies hat den Vorteil, dass z.B. elektrische Kontakte der integrierten Schaltung bevorzugt leichter wieder freigelegt werden können.
  • Die beispielhafte Vorrichtung, die hier zur Verdeutlichung beschrieben wird, weist eine erste Lichtwellenleiterstruktur (LWL1) auf, deren Material beispielsweise ein aufgesputtertes SiO2-Material oder das Material eines anderen transparenten Oxids sein kann, dass auf die Oberfläche des planaren Substrats (Sub) aufgebracht wurde. Bevorzugt wurde zuvor eine Lichtabstrahlung in andere Bereiche der Schaltung durch einen ersten Abschnitt einer ersten Metallblende (uMS1) nach unten zum Substrat (Sub) hin unterbunden. Die erste Lichtwellenleiterstruktur (LWL1) wurde bevorzugt fotolithografisch strukturiert und beispielhaft mit einem ersten Abschnitt einer zweiten Metallblende (oMS1) nach oben hin abgedeckt. Es wird empfohlen, die Arbeitsfähigkeit einer solchen Konstruktion mit einer FDTD Simulation vor der Herstellung für die verwendeten Prozessparameter präzise zu simulieren, da bei zu kleinen Dimensionen beispielsweise eine Lichtausbreitung nicht mehr möglich ist. Auf die gleiche Weise wurde eine zweite Lichtwellenleiterstruktur (LWL2) gefertigt, der von einem zweiten Abschnitt der ersten Metallblende (uMS2) und einem zweiten Abschnitt der zweiten Metallblende (oMS2) bevorzugt umfasst ist.
  • In dem Beispiel der 8 ist eine beispielhafte Lichtquelle vorgesehen. Diese besteht aus einer beispielhaften MESA-Struktur (MS), die bevorzugt und beispielhaft gegenüber dem planaren Substrat isoliert ist. In dieser lichterzeugenden Struktur ist ein lichtemittierendes Gebiet (LG) gefertigt. In diesem Zusammenhang sei hinsichtlich der Fertigung einer Lichtquelle in indirekten Halbleitern wie Silizium auf die folgende Schrift verwiesen:
    • Röcke H., Meijer J., Stephan A., Weidenmüller U., Bukow H. H., Rolfs C. „White electroluminescent nanostructure in silicon fabricated using focused ion implantation" Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 181 (1001) Seite 274-279
  • In dem Beispiel der 8 wird eine solche Lichtquelle mit dem lichtemittierenden Gebiet (LG) benutzt, um über den ersten Lichtwellenleiter (LWL1) das Farbzentrum (FZ) im Nanopartikel (NP) zu pumpen. Das Farbzentrum emittiert dann ein charakteristisches Licht, dass vom zweiten Lichtwellenleiter (LWL2) aufgefangen wird und zu einem lichtempfindlichen Bauteil (pG, nG) der mikroelektronischen Schaltung geleitet wird.
  • Das beispielhafte lichtempfindliche Bauteil (pG, nG) besteht in diesem Verdeutlichungsbeispiel aus einer PN-Diode, die eine N-Wanne (nG) und eine P-Kathode (pG) umfasst.
  • Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche lichtempfindliche mikroelektronische Bauteile bekannt, die insbesondere mit CMOS-Prozessen gefertigt werden können. Um die Komplexität der Darstellung gering und transparent zu halten wurde die 8 soweit vereinfacht, dass eine Fachfrau erkennen kann, welche beispielhaften Elemente wie kombiniert werden können und beispielhaft zusammenwirken können. Es können auch die zahlreichen aus dem Stand der Technik bekannten mikrofluidischen, mikromechanischen, mikrooptischen und mikroelektronischen Funktionselemente in ähnlichen Vorrichtungen mit der hier vorgeschlagenen Methode kombiniert werden. Beispielsweise können Bragg-Filter und Spiegel-Strukturen in den Lichtwellenleitern vorgesehen werden.
  • Bevorzugt umfasst somit das System einen mikroelektronischen Schaltkreis oder zumindest ein mikroelektronisches Bauelement, insbesondere einen Fotodetektor und/oder ein lichtemittierendes Bauelement. Im spezielleren umfasst das System bevorzugt einen mikroelektronischen CMOS-Schaltkreis oder zumindest ein mikroelektronisches CMOS-Bauelement, insbesondere einen CMOS-Fotodetektor und/oder ein lichtemittierendes CMOS-Bauelement. Der mikroelektronische Schaltkreis ist bevorzugt zumindest in Teilen in CMOS-Technologie und/oder Bipolar-Technologie und/oder BICMOS-Technologie gefertigt.
  • Bevorzugt umfasst die mikroelektronische Schaltung beispielsweise auch einen Spannungsregler zur Versorgung der mikroelektronischen Schaltung und ggf. ihrer Teilkomponenten und/oder zur Versorgung einer Pumplichtquelle zur Anregung der Fotolumineszenz des Farbzentrums. Ein geeignetes mikrooptisches System muss aber zum einen das Farbzentrum (FZ) stimulieren können und zum anderen das Lumineszenzlicht des Farbzentrums (FZ) erfassen und zuverlässig vom Licht der Pumplichtquelle trennen können. Hierfür ist es sinnvoll, wenn das mikro-elektrooptische System mikrooptische Bauelemente aufweist, die in einem entsprechenden Prozessschritt mikrotechnisch hergestellt werden. Besonders wichtig sind hierbei optische Filter und Lichtwellenleiter.
  • An dieser Stelle sei beispielhaft auf die Bücher Baha E.A. Saleh, Malvin Carl Teich, „Grundlagen der Photonik‟ Wiley-VCH, 2007 und Bernhard C. Kress, Patrick Meyreueis „Applied Digital Optics" Wiley, 2009 hingewiesen.
  • Das vorgeschlagene Verfahren umfasst somit bevorzugt einen Schritt zur Durchführung eines Verfahrens zur Herstellung mikrooptischer Bauelemente auf dem Halbleitersubstrat.
  • Zur Co-Integration geeigneter lichtemittierender Bauteile
  • Ein besonderes Problem stellen, wie bereits angedeutet, lichtemittierende Bauelemente dar. Entweder wird als Halbleitersubstrat ein Material aus einem Halbleiter mit einem direkten Übergang, wie beispielsweise GaAs oder ein anderes geeignetes III/V-Material, verwendet, wodurch die lichtemittierenden Bauelemente für die Erzeugung des Pump-Lichts für die Anregung des Farbzentrums direkt auf dem Wafer gefertigt werden können, oder es wird als Halbleitersubstrat ein Material aus einem Halbleiter mit einem indirekten Übergang, wie beispielsweise Silizium oder Diamant, verwendet. Hinsichtlich der Erzeugung von Lichtquellen in Diamant sei hier beispielhaft auf die folgende Schrift verwiesen:
    • Burchard B., „Elektronische und optoelektronische Bauelemente und Bauelementstrukturen auf Diamantbasis" Dissertation, Hagen 1994.
  • Hinsichtlich der Erzeugung von Lichtquellen in Silizium sei hier beispielhaft nochmals auf den bereits erwähnten folgenden Zeitschriftenartikel hingewiesen:
    • Röcken H., Meijer J., Stephan A., Weidenmüller U., Bukow H.H., Rolfs C., „White electroluminescent nanostructure in silicon fabricated using focused ion implantation" Nuclear Instruments and Methods in Physics Researc B 181 (1001) Seite 274-279.
  • Hierbei handelt es sich um eine PNP oder NPN-MESA-Struktur, bei der die mittlere Dotierung extrem hoch und sehr schmal ausgeführt ist. Die Autoren vertreten die Auffassung, dass es sich hier um ein Bauteil im Lawinendurchbruch handelt. Dabei wird die Lichtenergie in Form eines thermischen Spektrums durch die heißen Elektronen abgestrahlt.
  • Eine weitere Möglichkeit ist, die Lichtquellen z.B. als nanoskopische LEDs zu fertigen und in separaten Arbeitsschritten wie Nanopartikel (NP) zu platzieren. In der hier vorgelegten Schrift sind daher solche sehr kleinen lichtemittierenden Dioden oder PN-Übergänge (LEDs) ausdrücklich mitumfasst, wenn deren Kristallite nach dem Vereinzeln dieser Bauelemente aus dem Wafer-Verbund eine geeignet kleine Dimension haben. Solche LEDs werden im Folgenden nanoskopische LEDs oder Nano-LED genannt.
  • Bei diesen Nano-LEDs handelt es sich somit um Nanopartikel (NP), bevorzugt Nanokristalle, mit einer Partikelgröße kleiner 1µm und/oder besser kleiner 500nm und/oder besser kleiner 250nm und/oder besser kleiner 100nm und/oder besser kleiner 50nm und/oder besser kleiner 25nm und/oder besser kleiner 10nm und/oder besser kleiner 5nm und/oder besser kleiner 2,5nm und/oder kleiner 1nm. Man kann im Idealfall also eher von LED-Staub sprechen. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass sich LED-Staub zum Aufbau photonischer Systeme besonders eignet.
  • Es wird daher vorgeschlagen, in einer Verfahrensvariante ein Verfahren zur Montage lichtemittierender Bauelemente auf dem Halbleitersubstrat durchzuführen, wobei die Platzierung nanoskopischer LEDs mittels eines kolloidalen Lackes (KL), der solche nanoskopischen LEDs als Partikel umfasst, auch ein solcher Fertigungsschritt ist. Im Laufe des Fertigungsverfahrens wird der kolloidale Lack (KL) in einen kolloidalen Film (FM) umgewandelt, die die Nano-LEDs fixiert.
  • Das planare Substrat (Sub) ist bevorzugt Halbleitersubstrat oder ein Silizium-Wafer oder ein GaAs-Wafer oder ein Wafer aus einem Ill/V-Material oder ein Wafer aus II/VI-Material oder aus ein mittels Band-Gap-Engineering behandelter Wafer oder ein Diamant-Wafer oder ein Ge-Wafer oder ein anderer Wafer aus einem Mischhalbleiter oder ein Teil eines solchen Wafers.
  • Es wird in dieser Offenbarung somit ein quantentechnologisches, mikro-elektrooptisches System vorgeschlagen, das ein planares Substrat (Sub), insbesondere ein Halbleitersubstrat, mit einem Teilbereich eines kolloidalen Films (FM) bzw. kolloidalen Lackes (KL), der zumindest einen Nanopartikel (NP) mit einem Farbzentrum (FS) aufweist, umfasst. (Siehe 8) Ein oder mehrere Teilbereiche des kolloidalen Films (FM) sind dabei mittels eines der zuvor beschriebenen Verfahren hergestellt. Bei den Nanopartikeln (NP) handelt es sich in einer bevorzugten Variante um Diamant-Nanokristalle mit einer Kristallgröße kleiner 1µm und/oder besser kleiner 500nm und/oder besser kleiner 250nm und/oder besser kleiner 100nm und/oder besser kleiner 50nm und/oder besser kleiner 25nm und/oder besser kleiner 10nm und/oder besser kleiner 5nm und/oder kleiner besser 2,5nm und/oder besser kleiner 1nm. Bevorzugt handelt es sich bei dem Farbzentrum um ein NV-Zentrum in einem Diamantnanokristall bzw. um ein SiV-Zentrum in einem Silizium-Nanokristall bzw. um ein H3-Zentrum in einem Diamantnanokristall. Ganz besonders bevorzugt ist eine Variante, bei der es sich bei planaren Substrat (Sub) bzw. dem Halbleitersubstrat um einen mikroelektronischen Schaltkreis, insbesondere um einen mikroelektronischen Schaltkreis in CMOS-Technologie und/oder Bipolar-Technologie und/oder BICMOS-Technologie handelt.
  • Das planare Substrat (Sub) ist als bevorzugt ein Halbleitersubstrat, ein Silizium-Wafer oder ein GaAs-Wafer oder ein Wafer aus einem Ill/V-Material oder ein Wafer aus II/VI-Material oder aus ein mittels Band-Gap-Engineering behandelter Wafer oder ein Diamant-Wafer oder ein Ge-Wafer oder ein anderer Wafer aus einem Mischhalbleiter.
  • Bevorzugt umfasst das quantentechnologische, mikro-elektrooptische System mindestens ein mikrooptisches Element. Bevorzugt ist das das mikrooptische Element dazu geeignet oder vorgesehen, zumindest die Funktion eines der folgenden mikrooptischen Elemente zu erfüllen:
    • • die Funktion einer optischen Linse und/oder
    • • die Funktion eines photonischen Kristalls und/oder
    • • die Funktion eines optischen Filters und/oder
    • • die Funktion eines optischen ganz oder teilweise reflektierenden Spiegels und/oder
    • • die Funktion eines Lichtwellenleiters (LWL1, LWL2) und/oder
    • • die Funktion eines Richtkopplers und/oder
    • • die Funktion eines Wellensumpfes und/oder
    • • die Funktion eines Circulators (Zirkulators) und/oder
    • • die Funktion eines Koppel- und/oder Auskoppelgliedes.
  • Farbzentren (FZ) wechselwirken in der Regel mit Magnetfeldern. Daher ist es sinnvoll, wenn die Vorrichtung zumindest ein Funktionselement eines magnetischen Kreises und/oder eine ferromagnetische Teilvorrichtung oder eine ferromagnetische Teilstruktur umfasst. Dabei kann es sich um einen mikro- oder nanoskopischen Permanentmagneten handlen, der ggf. beispielsweise in den Metallisierungsstapel des besagten CMOS-Schaltkreises integriert ist. Bevorzugt ist die besagte ferromagnetische Teilvorrichtung oder Teilstruktur Teil eines magnetischen Kreises. In dem Falle verfügt das quantentechnologische, mikro-elektrooptische System bevorzugt über eine Erregungsvorrichtung, beispielsweise eine in dem Metallisierungsstapel gefertigte Flachspule, die dazu geeignet ist, eine magnetische Erregung in dem magnetischen Kreis hervorzurufen. Bevorzugt wird die magnetische Teilvorrichtung durch Abscheiden einer ferromagnetischen Schicht und anschließende fotolithografische Strukturierung gefertigt.
  • Soll das Farbzentrum (FZ) als Teilvorrichtung eines Sensorsystems verwendet werden, so hängt der Betrag und/oder die Richtung der durch die Erregungsvorrichtung erzeugten magnetischen Erregung H in dem magnetischen Kreis bevorzugt von einem Betriebszustandsparameter des elektronischen Schaltkreises, also bevorzugt des CMOS-Schaltkreises, ab. In diesem Zusammenhang sei auf die anhängige unveröffentlichte deutsche Patentanmeldung DE 10 2018 127 394.0 verwiesen. Die Verwendung des hier vorgestellten Verfahrens zur Herstellung einer Vorrichtung gemäß der DE 10 2018 127 394.0 ist ausdrücklich Teil dieser Offenlegung. Die hier vorgelegte Schrift beschäftigt sich in ihrem Kern mit der großtechnischen Serienherstellung solcher Systeme, wie sie beispielsweise in der DE 10 2018 127 394.0 beschrieben sind. Die hier vorgestellten Methoden werden sich aber auch für die Herstellung von Quantencomputern und anderen quantenoptischen Systemen eignen, die eine Anbindung an mikroelektronische und/oder mikromechanische und/oder mikrooptische Systeme benötigen.
  • Typischerweise weist ein solches quantentechnologische, mikro-elektrooptische System ein lichtempfindliches Bauelement (pG, nG) auf. Dabei ist dann bevorzugt das lichtempfindliche Bauelement (pG, nG) dazu geeignet und/oder bestimmt, eine Lumineszenz des Farbzentrums (FZ) zu erfassen. Wird beispielsweise ein System entsprechend der besagten unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 10 2018 127 394.0 aufgebaut, so hängt typischerweise zumindest ein Betriebsparameter des mikroelektronischen Schaltkreises von einem durch das lichtempfindliche Bauelement (pG, nG) erfassten Wert der Lumineszenz des Farbzentrums (FZ) ab. Bevorzugt wird das Farbzentrum (FZ) hierfür durch verschiedene optische Elemente zum einen mit einer Pumplichtquelle (MS) über eine optische Wellenverbindung aus mehreren optischen Komponenten (NP, KL, LWL2) und zum anderen mit dem lichtempfindlichen Bauelement (pG, nG) über eine weitere optische Wellenverbindung aus mehreren weiteren optischen Komponenten (NP, KL, LWL1) gekoppelt.
  • Druck des kolloidalen Lacks (KL)
  • Neben der Methode des Belackens des planaren Substrats (Sub) mittels einer Lackschleuder (SC) oder des Aufsprühens und/oder Bepinselns und/oder des lokalen Benetzens ist ein weiteres wichtiges Verfahren die Methode des Bedruckens des planaren Substrats (Sub) mit dem kolloidalen Lack (KL), der die Nanopartikel (NP) umfasst. Bevorzugt weisen die Nanopartikel (NP) die besagten Farbzentren (FZ) und/oder andere Funktionselemente auf. Dies hat den Vorteil, dass dieser Druck des kolloidalen Lackes gleich strukturiert ausgeführt werden kann. In dem Fall kann auf dem planaren Substrat (Sub) auf die Fertigung der Leitstrukturen (LS) und die Fertigung der Fangstrukturen (FS) ggf. verzichtet werden. Es kommen hierfür verschiedenste aus der Drucktechnik bekannte Verfahren in Frage.
  • Hierfür kommen zunächst folgende Druckprinzipien in Frage:
    • Schema Fläche gegen Fläche
  • Es wird zwischen drei Druckprinzipien unterschieden:
    • • Druckfläche mit vorstrukturiertem kolloidalen Lack (KL) gegen die Fläche des planaren Substrats (Sub) (flach gegen flach). Hier kommt vor allem ein mikromechanisch strukturierter Stempel in Frage.
    • • Druckzylinder mit kolloidalem Lack (KL) gegen die Fläche des planaren Substrats (Sub)(rund gegen flach)
  • Druckfläche gegen planares Substrat (Sub)
  • Bei diesem Prinzip wird das zu bedruckende planare Substrat (Sub) von einer flachen Gegendruckplatte (Tiegel) auf eine flache, mit dem kolloidalen Lack (KL) beschichtete Druckformplatte gedrückt, die, wie bereits erwähnt, mikrostrukturiert sein kann und mikrofluidische Elemente insbesondere zur Führung des kolloidalen Lackes aufweisen kann. Dabei wird kolloidale Lack (KL) auf das zu bedruckende planare Substrat (Sub) übertragen. Die Nachteile des Prinzips sind die notwendigen Kräfte bei größeren Flächen und die eingeschränkte Geschwindigkeit. Da das planare Substrat (Sub) in der Regel ein Halbleiter-Wafer ist, ist dieses sehr spröde, was in der Regel eine sehr homogene Kraftverteilung beim Drucken erfordert. Es ist daher anzuraten, die Druckformplatte hydraulisch oder ähnlich zu lagern.
  • Druckzylinder gegen planares Substrat (Sub)
  • Beim Prinzip rund gegen flach erfolgt der Anpressdruck auf das zu bedruckende planare Substrat (Sub) durch die Drehbewegung des Druckzylinders über der Druckform. Dabei dreht sich der Druckzylinder festgelagert um seine Achse, während planare Substrat (Sub) bei jedem Druckvorgang synchron unter ihm durchbewegt wird (Druckabwicklung). Dadurch ist der Anpressdruck nur innerhalb eines schmalen Streifens, nämlich der „tangentialen“ Kontaktfläche zwischen rundem Zylinder und ebener Druckform wirksam. Dies ist bei spröden planaren Substraten (Sub) typischerweise nicht praktikabel. Daher wird man in diesen Fällen auf Gummi-Walzen oder dergleichen ausweichen, was die Auflösung der Strukturierung des kolloidalen Lackes (KL) auf dem Substrat (Sub) beeinträchtigt. Auf diese Weise werden höhere Geschwindigkeiten und größere Formate im Druck möglich.
  • Die Anwendung eines Prinzips Zylinder gegen Zylinder würde ein zylindrisches oder flexibles planares Substrat (Sub) erfordern, was hier zwar von der Beanspruchung mit umfasst wird, aber eigentlich unpraktisch ist.
  • Im indirekten Druckverfahren kann das Druckbild des kolloidalen Lackes (KL) zunächst auf einen Zwischenträger aufgebracht werden. Der Zwischenträger ist flexibel und gibt den kolloidalen Lack (KL) an das zu bedruckende planare Substrat (Sub) weiter ab. Aus diesem Grund muss das Druckbild bei einem indirekten Druckverfahren seitenrichtig sein. Beispiele für ein indirektes Druckverfahren sind der Offsetdruck der Lettersetdruck und der Tampondruck. Insbesondere letzter ist für die beabsichtigte Anwendung besonders geeignet, da die Kräfte sich bei richtiger Anwendung homogen über das planare Substrat (Sub) verteilen.
  • Druckverfahren werden nach dem Verhältnis, in dem Druckelemente zur Druckform stehen, wie Flach-, Hoch-, Tief- und Durchdruck. Nach diesem Merkmal werden die Druckverfahren auch in der DIN 16500 in die Hauptdruckverfahren unterschieden:
    • Hochdruck: Bildstellen der Druckform stehen höher als Nichtbildstellen, zum Beispiel Buchdruck und Flexodruck,
    • Flachdruck (siehe auch Lithografie): hier liegen Bildstellen und Nichtbildstellen der Druckform annähernd auf einer Ebene, zum Beispiel beim Offsetdruck
    • Tiefdruck: Bildstellen der Druckform liegen tiefer als Nichtbildstellen
    • Durchdruck: Bildstellen der Druckform bestehen aus den Öffnungen einer Schablone meist auf einem farbdurchlässigen Schablonenträger, einem Sieb aus Kunststoff- oder Metallfäden. Nichtbildstellen sind farbundurchlässig, zum Beispiel Siebdruck und Risographie.
  • Des Weiteren kann eine Unterscheidung nach dem Übertragungsweg vorgenommen werden: Für die Anwendung beim Druck des kolloidalen Lackes unterscheiden wir direkte von indirekten Druckverfahren. Direkte Druckverfahren zeichnen sich dadurch aus, dass das Druckbild direkt von der Druckform auf das zu bedruckende planare Substrat (Sub) gebracht wird. Deshalb muss das Druckbild seitenverkehrt auf der Druckform angebracht sein. Beispiele für ein direktes Druckverfahren sind der Rakeltiefdruck, der Buchdruck und der Flexodruck. Im indirekten Druckverfahren wird das Druckbild zunächst auf einen Zwischenträger angebracht. Der Zwischenträger ist flexibel und gibt die Farbe an den Bedruckstoff weiter ab. Somit sind indirekte Verfahren aufgrund des Krafteintrags besonders für die Anwendung zum Aufbringen von Strukturen aus kolloidalem Lack auf einem planaren Substrat (Sub) geeignet. Aus diesem Grund muss auch das Druckbild bei einem indirekten Druckverfahren seitenrichtig sein. Beispiele für ein indirektes Druckverfahren sind der Offsetdruck und der hier besonders empfohlene Tampondruck.
  • Hochdruck
  • Beim Hochdruck stehen die Druckelemente erhaben auf der Druckform hervor. Besonders bevorzugt wird bei einer Verwendung des Hochdrucks zum Druck des kolloidalen Lackes (KL) eine mikrostrukturierte Druckform. Beispielsweise ist es sinnvoll für das bedrucken eines mittels CMP an der Oberfläche planarisierten CMOS-Wafers als planares Substrat (Sub) als dem gegenüberliegende Druckform einen mikrostrukturierten Wafer zu verwenden, dessen erhaben Stege die Druckelemente darstellen.
  • Besonders geeignet ist eine Vorrichtung zum Aufbringen des kolloidalen Lackes (KL) in Form einer Tiegelpresse. Bei dieser erfolgt der Druck flach/flach, da die flache Druckfläche des Tiegels gegen die flache, meist vertikal in die Tiegeldruckmaschine eingespannte Druckform gepresst wird. Solange eine absolut gleichmäßige Druckverteilung auf dem planaren Substrat erreicht wird, eignet sich daher eine solche Tiegelpresse für die Anwendung des Hochdruckverfahrens. Bevorzugt erfolgt beim Tiegelpressen die Zufuhr des planaren Substrates in Wafer-Form, beispielsweise als CMOS-Wafer.
  • Aus dieser Grundform des Hochdrucks können weitere Druckformen entwickelt werden:
  • Indirekter Druck
  • Dieser ist ein indirekter Hochdruck, bei dem die Druckvorlage von einem seitenrichtigen Klischee gedruckt wird. Das Hochdruckklischee überträgt das Druckbild auf ein Gummituch, den sogenannten Gummizylinder, wodurch das seitenverkehrte Abbild entsteht, das vom Gummituch auf das zu bedruckende planare Substrat (Sub) Papier gedruckt wird.
  • Flexodruck
  • Der Flexodruck ist aus dem Buchdruck bekannt. Der Flexodruck ist ein neueres Hochdruckverfahren, bei dem die Druckform aus einer flexiblen Fotopolymerplatte besteht, die im hier vorliegenden Fall bevorzugt mikrostrukturiert ist. Die Effizienz im Flexodruck kann durch die Verwendung von vorgefertigten Endlosdruckformen erheblich verbessert werden. Es handelt sich hier um speziell entwickelte und auf den Einsatzzweck angepasste Kunststoffe, beispielsweise Polyimid-Schichten auf einem Trägermaterial (Sleeve), beispielsweise einem Silizium-Wafer. Die zu übertragenden Strukturen können beispielsweise a mittels CO2-Laseroder Excimer-Laser in die Oberfläche graviert werden. Dieses Verfahren heißt auch Flexo-Direktgravur. Hier wird bevorzugt ein beschichteter Silizium-Wafer für eine solche Flexo-Direktgravur verwendet und dient als Sleeve.
  • Tiefdruck
  • Der Tiefdruck ist ein Druckverfahren, bei dem die druckenden Elemente durch chemische oder mechanische Verfahren vertieft auf die Druckform übertragen werden. Die Vertiefungen werden bevorzugt mittels mikrotechnologischer Verfahren erzeugt. Beim Druckvorgang wird die Druckform mit relativ dünnflüssigem kolloidalen Lack eingefärbt und die überschüssige Farbe incl. der überschüssigen nanokristallinen Nanopartikel (NP) in dem kolloidalen Lack (KL) durch eine Rakel blank von der Druckform abgestreift. Dies ist bei der Verwendung von Diamantpartikeln als nanokristallinen Nanopartikeln (NP) nicht ohne Probleme, da es zu einer Beschädigung der Druckform durch die Diamantnanopartikel kommen kann. Der kolloidale Lack (KL) für den Druckvorgang bleibt dann bevorzugt nur in den vertieften Stellen der Druckform zurück; es drucken also nur diese Partien. Durch hohen Anpressdruck erfolgt die Übertragung der Farbe auf das planare Substrat, dass dafür eine gewisse Flexibilität aufweisen muss. Für das Bedrucken von CMOS-Wafern ist daher dieses Verfahren weniger geeignet. Die Lackauftragsmenge für einen Strukturierungsbereich wird durch die Tiefe der zwischen den erhabenen Strukturen auf der Druckform liegenden Vertiefungen bestimmt. Somit ist auf diese Weise auch eine vertikale Strukturierung der hergestellten Druckstrukturen möglich.
  • Flachdruck
  • Beim Flachdruck liegen druckende und nichtdruckende Partien in einer Ebene. Bevorzugt werden hierzu auf der Druckform hydrophobe und hydrophile Bereiche durch eine geeignete Oberflächenbehandlung erzeugt. Hierzu ist es notwendig, dass das gewählte Trägermaterial sich in einem Lösungsmittel (LM), hier beispielsweise Wasser, lösen lässt. Bei Gelatine ist dies der Fall. Während die druckenden Partien das Lösungsmittel des Trägers, also beispielsweise Wasser, annehmen, werden die nichtdruckenden Stellen beispielsweise mit einem Fettfilm beschichtet oder durch eine Plasmabehandlung entsprechend konditioniert und stoßen in der Folge die Druckfarbe, die hier beispielhaft wasserhaltig ist, ab. Die druckenden Partien werden nehmen den kolloidalen Lack (KL) an. Die nichtdruckenden Stellen hingegen nehmen den kolloidalen Lack nicht an und stoßen den kolloidalen Lack im Druckprozess ab.
  • Durchdruck
  • Ein weiteres Druckverfahren, das besonders geeignet ist, ist das Durchdruckverfahren. Besonders wichtig für die hier vorgestellte technische Lehre ist der Siebdruck, bei dem der kolloidale Lack (KL) mit einem wischerähnlichen Werkzeug, bevorzugt einem Gummirakel, durch ein feinmaschiges textiles Gewebe oder eine Schablone hindurch auf das zu bedruckende planare Substrat (Sub) gedrückt wird. Die Druckform des Siebdrucks besteht aus einem Rahmen, der mit einem Gewebe aus Metall- oder Kunststoff bespannt ist. Das Gewebe trägt eine Schablone aus Kunststoff oder Metall, zu deren Herstellung die gesamte Fläche des gespannten Gewebes mit einem Fotopolymer beschichtet und über einen positiven Film mit dem zu druckenden Motiv belichtet wird. Das Fotopolymer erhärtet an den nicht druckenden Stellen, das unbelichtete Material wird ausgewaschen. Beim Druckvorgang tritt die Druckfarbe nur dort durch Gewebe, wo dieses freigewaschen wurde. Als Druck-Schablone kann auch ein durch Mikrostrukturierung perforierter Silizium-Wafer verwendet werden.
  • Im Vergleich zu anderen Druckverfahren ist die Druckgeschwindigkeit relativ gering. Der Siebdruck ist ein direktes Druckverfahren. Zwischen Druckform und dem planaren Substrat (Sub) besteht während des Druckvorgangs ein geringer Zwischenraum von wenigen µm bis wenigen Millimeter, der nötig ist, um den sogenannten Absprung zu ermöglichen. Dieser Zwischenraum sollte im Idealfall 0m sein, was sich in der Regel aber nicht realisieren lässt. Diese Siebabsprunghöhe wird lokal und temporär dort aufgehoben, wo die Rakel das Sieb so weit niederdrückt, dass die Schablone auf dem Bedruckstoff aufliegt. Hier werden in diesem Moment die Konturen abgedichtet und der kolloidale Lack auf das planare Substrat (Sub) übertragen. Bewegt sich die Rakel weiter, hebt sich das gerade überstrichene Gewebe mit Schablone wieder an.
  • Beim Schablonendruck ohne tragendes Sieb muss die Schablone selbst ausreichend fest sein und ist beispielsweise aus Stahl oder Silizium gefertigt und direkt in den Rahmen gespannt. Wie beim Stencil sind die möglichen Druckbilder eingeschränkt. Ein Zusetzen von Maschen mit Druckpastenbestandteilen - wie es beim sonst nahezu identischen Siebdruckverfahren möglich istkann nicht auftreten. Daher eignet sich der Schablonendruck besser zum Aufbringen des kolloidalen Lackes (KL) auf das planare Substrat (Sub). Ganz besonders vorteilhaft ist die Verwendung von mikrostrukturierten Druckschablonen. So können beispielsweise mittels Mikrostrukturtechnik perforierte Wafer als Druckschablonen verwendet werden.
  • Tampondruck
  • Der Tampondruck ist ein indirekter Rakel-Tiefdruck und ebenfalls besonders zum Aufbringen des kolloidalen Lackes auf das planare Substrat (Sub) geeignet. Die Vorlage wird mit Hilfe eines Tampons beispielsweise aus porösem Silikonkautschuk von einer Fläche (Tiefdruckform) auf das planare Substrat (Sub) übertragen. Er und kann damit auch auf unebene planare Substrate, beispielsweise nicht planarisierte Silizium-Wafer mit elektronischen Strukturen und/oder mikrooptischen und/oder bereits ausgebildeten mikrofluidischen Funktionselementen appliziert werden. Dies ist von besonderem Vorteil, da der Tampon-Druck somit zur Platzierung der nanokristallinen Nanopartikel (NP) in den mikrofluidischen Funktionselementen (FS2) verwendet werden kann.
  • Stempeldruck
  • Der Stempeldruck ist ein Flexodruckverfahren und als solches dem Hochdruck zuzuordnen. Der Stempel wird bevorzugt elastisch ausgeführt.
  • Elektronische Druckverfahren
  • Es ist denkbar, den kolloidalen Lack mittels eines Tintenstrahldruckes oder eines geeigneten Dispensers mit x-y-Koordinatensteuerung aufzubringen.
  • Es ergeben sich dann druckbare quantentechnologische Bauelemente. Eine solche druckbare quantenelektronische Komponente, umfasst ein planares Substrat (Sub) und einen strukturierten kolloidalen Film (FM) als Ergebnis des Druckvorgangs. Hierbei kann es sich in dem hier diskutierten Anwendungsbeispiel um einen strukturierten Gelatinefilm handeln, der Diamantnanokristalle mit NV-Farbzentren umfasst. Der kolloidale Film (FM), der durch Strukturierung und Aushärtung des kolloidalen Lackes (KL) entsteht, umfasst somit als ein wesentliches Merkmal Nanopartikel (NP). Zumindest ein Teil der Nanopartikel (NP) oder alle Nanopartikel (NP) weisen bevorzugt ein oder mehrere Farbzentren auf. Im Sinne dieser Schrift kann es sich jedoch bei den Nanopartikeln (NP) auch um Nano-LEDs handeln. Bevorzugt ist der strukturierte kolloidale Film (FM) auf dem planaren Substrates (Sub) aufgedruckt. Bevorzugt sind auch andere elektrische und/oder photonische Funktionselemente auf dem Substrat (Sub) aufgedruckt oder gefertigt. Diese anderen elektrischen und/oder photonischen Funktionselemente, die auf dem Substrat (Sub) aufgedruckt oder gefertigt sind, sind bevorzugt eines oder mehrere der folgenden Funktionselemente:
    • • eine elektrische Leitung,
    • • eine elektrische Induktivität,
    • • eine elektrische Kapazität,
    • • ein elektrischer Widerstand,
    • • ein Transistor,
    • • eine Diode,
    • • ein Lichtwellenleiter,
    • • ein Wellenkoppler,
    • • ein optischer Resonator,
    • • ein Spiegel,
    • • eine Linse, usw.
  • Für den Druck dieser Bauelemente können klare Lacke und/oder halbleitende Lacke verwendet werden und/oder elektrisch mehr oder weniger leitende und nicht-leitende Lacke verwendet werden.
  • Auf diese Weise kann ein vollständiges quantentechnologisches System auf dem planaren Substrat geschaffen werden.
  • Hierzu korrespondiert ein Druckverfahren zur Platzierung von Nanopartikeln (NP) beispielsweise in Form von Nanokristallen mit Farbzentren (FZ) auf dem planaren Substrat (Sub). Hier handelt es sich wieder um ein Verfahren zur Herstellung eines quantentechnologischen, mikro-elektrooptischen oder mikroelektronischen oder photonischen oder mikrooptischen Systems. Das Verfahren beginnt wieder mit dem Bereitstellen eines planaren Substrates (Sub). Bei dem Substrat handelt es sich beispielsweise wieder um einen Silizium-Wafer und/oder einen Wafer aus einem anderen Material und/oder ein anders geeignetes im folgenden Prozess bedruckbares Material. Das Druckverfahren umfasst ebenso wie das Spin-Coating-Verfahren, das zuvor erläutert wurde, das Bereitstellen eines kolloidalen Lackes (KL) in Form einer kolloidalen Lösung von Nanopartikeln (ND) in einem Trägermittel (TM) und ggf. einem Lösungsmittel (LM). Wie zuvor weisen zumindest ein Teil der Nanopartikel (NP) oder alle Nanopartikel (NP) bevorzugt ein oder mehrere Farbzentren (FZ) auf. Bei den Nanopartikeln (NP) kann es sich auch um Nano-LEDs handeln. Das oben zu diesem Punkt geschriebene trifft auch hier in analoger Weise zu. Die kolloidale Lösung, der kolloidale Lack (KL), ist so zusammengemischt, dass sie zumindest Teile des planaren Substrates (Sub) benetzen kann. Nun erfolgt aber bevorzugt ein strukturiertes Bedrucken oder Belacken oder Beschichten oder lokales Benetzen des planaren Substrates (Sub) mit der kolloidalen Lösung, dem kolloidalen Lack (KL), um einen strukturierten kolloidalen Film (FM) auf einer Oberfläche (OF) des planaren Substrats (Sub) zu erhalten. Hierbei können als Druckmethoden beispielsweise Tampon-Druck und/oder Schablonendruck und/oder Siebdruck und/oder Nano-Imprint-Druckmethoden verwendet werden. Sicherlich wird der Fachmann aus der Vielzahl der im Stand der Technik bekannten Methoden weitere identifizieren können, die für einen Druck geeignet sind.
  • Zwar ist es denkbar, den mittels dieser Drucktechniken aufgebrachten strukturierten kolloidalen Film (FM) durch fotolithografische Methoden weiter zu strukturieren, hier gehen wir jedoch davon aus, dass die Methode des Druckens hier ausreichend ist. Dem Fachmann wird es aber ein leichtes sein, die Methode mittels eines zusätzlichen Strukturierungsschritts weiter zu verfeinern. In der Annahme, dass ein solcher weiterer Strukturierungsschritt hier typischerweise eigentlich nicht erforderlich ist, folgt nun das Härten des kolloidalen Films (FM).
  • Bevorzugt handelt es sich wieder bei den Nanopartikeln (NP) um Partikel mit einer Partikelgröße kleiner 1µm und/oder besser kleiner 500nm und/oder besser kleiner 250nm und/oder besser kleiner 100nm und/oder besser kleiner 50nm und/oder besser kleiner 25nm und/oder besser kleiner 10nm und/oder besser kleiner 5nm und/oder besser kleiner 2,5nm und/oder besser kleiner 1nm.
  • Ebenso bevorzugt handelt es sich wieder bei den Nanopartikeln (NP) um Diamant-Nanokristalle mit einer Kristallgröße kleiner 1µm und/oder besser kleiner 500nm und/oder besser kleiner 250nm und/oder kleiner besser 100nm und/oder besser kleiner 50nm und/oder besser kleiner 25nm und/oder besser kleiner 10nm und/oder besser kleiner 5nm und/oder besser kleiner 2,5nm und/oder besser kleiner 1nm.
  • Des Weiteren kann es sich bei den Nanopartikeln (NP) um Silizium-Nanokristalle mit einer Kristallgröße kleiner 1µm und/oder besser kleiner 500nm und/oder besser kleiner 250nm und/oder besser kleiner 100nm und/oder besser kleiner 50nm und/oder besser kleiner 25nm und/oder besser kleiner 10nm und/oder besser kleiner 5nm und/oder besser kleiner 2,5nm und/oder besser kleiner 1nm handeln.
  • Ebenso kann es sich bei den Nanopartikeln (NP) um Nanokristalle aus einem direkten Halbleitermaterial mit einer Kristallgröße kleiner 1µm und/oder besser kleiner 500nm und/oder besser kleiner 250nm und/oder besser kleiner 100nm und/oder besser kleiner 50nm und/oder besser kleiner 25nm und/oder besser kleiner 10nm und/oder besser kleiner 5nm und/oder besser kleiner 2,5nm und/oder besser kleiner 1nm handeln.
  • Ebenso kann es sich bei den Nanopartikeln um Nanokristalle aus einem III/V- oder II/VI-Halbleitermaterial oder einer Mischung derselben mit einer Kristallgröße kleiner 1µm und/oder besser kleiner 500nm und/oder besser kleiner 250nm und/oder besser kleiner 100nm und/oder besser kleiner 50nm und/oder besser kleiner 25nm und/oder besser kleiner 10nm und/oder besser kleiner 5nm und/oder besser kleiner 2,5nm und/oder besser kleiner 1nm handeln.
  • Ebenso kann es sich bei den Nanopartikeln (NP) um Nanokristalle mit einer Kristallgröße kleiner 1µm und/oder besser kleiner 500nm und/oder besser kleiner 250nm und/oder besser kleiner 100nm und/oder besser kleiner 50nm und/oder besser kleiner 25nm und/oder besser kleiner 10nm und/oder besser kleiner 5nm und/oder besser kleiner 2,5nm und/oder besser kleiner 1nm handeln.
  • Schließlich kann es sich bei den Nanopartikeln (NP) um Nano-LEDs mit einer Kristallgröße kleiner 1µm und/oder besser kleiner 500nm und/oder besser kleiner 250nm und/oder besser kleiner 100nm und/oder besser kleiner 50nm und/oder besser kleiner 25nm und/oder besser kleiner 10nm und/oder besser kleiner 5nm und/oder besser kleiner 2,5nm und/oder besser kleiner 1nm handeln.
  • Bei einem Farbzentrum der Farbzentren kann es sich beispielsweise um ein NV-Zentrum in einem Diamant-Kristall und/oder um ein SiV-Zentrum in einem Silizium-Kristall und/oder um ein H3-Zentrum in einem Diamant-Kristall handeln.
  • Es ist ggf. sinnvoll, wenn in der Oberfläche des planaren Substrates (Sub) mikrofluidische Funktionselemente (LS, FS, FS1, FS2) den Fluss des kolloidalen Lackes (KL) während des Druckvorganges beeinflussen. Zu diesem Zweck ist die Durchführung eines Verfahrens zur Herstellung mikrofluidischer Funktionselemente auf dem planaren Substrat (Sub) sinnvoll. Beispielsweise können Stege und Gräben u.a. zu dem Zweck der Lackflussbeeinflussung gefertigt werden.
  • Bevorzugt sind daher einige der mikrofluidischen Funktionselemente (LS, FS, FS1, FS2) dazu vorgesehen und/oder geeignet, während des Bedruckens des planaren Substrates mit dem kolloidalen Lack (KL), um einen strukturierten kolloidalen Film (FM) auf einer Oberfläche (OF) des planaren Substrats (Sub) zu erhalten, mit einen oder ggf. auch mehreren der Nanopartikel (NP) in mechanische oder strömungsmechanische Wechselwirkung zu treten.
  • Diese Schrift widmet sich dem Thema, wie eine NV-Zentren basierende Quantentechnologie mit einer CMOS-Technologie in Verbindung gebracht werden kann, ohne hierfür den CMOS-Prozess modifizieren zu müssen. Daher ist ein wesentliches Kriterium für das Substrat (Sub), dass es abgesehen von Oxiden und Metallisierungen etc. zumindest in Teilen elektrisch halbleitend ist.
  • Bevorzugt umfasst das planare Substrat (Sub) daher einen Halbleiter-Wafer und/oder Halbleitersubstrat und/oder einen Silizium-Wafer und/oder einen GaAs-Wafer und/oder einen Wafer aus IV-Material und/oder Ill/V-Material und/oder aus II/VI-Material und/oder aus Mischungen solcher Materialien und/oder einen Germanium-Wafer und/oder einen ein mono- oder polykristalliner Diamant-Wafer und/oder ein Glas-Wafer und/oder einen Keramik-Wafer und/oder ein Metallblech und/oder eine Kunststoffplatte. Es ist nämlich auch denkbar quantentechnologische Systeme auf den drei letztgenannten Substraten aufzubauen.
  • Ist das planare Substrat (Sub) ein Halbleitersubstrat, so ist es sinnvoll im Sinne einer Co-Integration, ein Verfahren zur Herstellung elektronischer Bauelemente auf dem Halbleitersubstrat und/oder zur Herstellung elektronischer CMOS-Bauelemente auf dem Halbleitersubstrat bevorzugt vor dem Bedrucken und/oder Belacken und/oder Beschichten (englisch coating) und/oder lokales Benetzen mit dem kolloidalen Lack (KL) vorzunehmen.
  • Ebenso ist es sinnvoll im Rahmen des Gesamtherstellungsprozesses ein Verfahren zur Herstellung mikrooptischer Funktionselemente auf dem Halbleitersubstrat vorzunehmen. Diese mikrooptischen Funktionselemente dienen bevorzugt dem Zweck, das Licht der Pump-Lichtquellen auf die Farbzentren zu lenken und andererseits das Fluoreszenzlicht der Farbzentren zu sammeln und über geeignete Lichtstrecken, beispielsweise Lichtwellenleiter (LWL1, LWL2) und Filter, beispielsweise Bragg-Filter den Fotodetektoren (pG, nG) zuzuleiten.
  • Wie bereits beschrieben ist es die bevorzugte Funktion einiger mikrofluidischer Funktionselemente, neben der möglichen Funktion der ggf. notwendigen Zuleitung von zu vermessenden Fluiden im späteren Betrieb die Funktion der Beeinflussung des Flusses des kolloidalen Lackes (KL) und damit der Bewegung der Nanopartikel (NP) während des Drucks und/oder während der Belackung und/oder Beschichtung. Eine der Funktionen kann dabei sein, die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, dass sich ein Nanopartikel (NP) in einem vorbestimmten Bereich (z.B. FS2 in 8) relativ zu einem mikrooptischen Element (z.B. LWL1 und LWL2 in 8) nach dem Ende des Druckvorgangs und/oder Belackungsvorgangs und/oder Beschichtungsvorgangs befindet. Nur so kann sichergestellt werden, dass eine Interaktion zwischen dem mikrooptischen Element (LWL1, LWL2) und dem Farbzentrum (FZ) des Nanopartikels (FZ) gewährleistet ist. Es ist daher wichtig, das typischerweise ein mikrofluidisches Funktionselement (LS, FS1, FS2) in einem funktionalen Zusammenhang mit zumindest einem mikrooptischen Funktionselement (LWL1, LWL2), das ebenfalls in diesem Verfahren gefertigt wurde, steht. Wobei sich hier in diesem Beispiel der funktionale Zusammenhang nur in der Zusammenschau der Steuerung der Platzierung mit der erzielten optischen Kopplung des Farbzentrums (FZ) mit dem mikrooptischen Element (LWL1, LWL2) ergibt. Wenn alles korrekt dimensioniert ist, steht das betreffende mikrooptische Funktionselement (LWL1, LWL2) optisch mit zumindest dem betreffenden Farbzentrum (FZ) des betreffenden Nanopartikels (NP) - hier den beispielhaft in dem mikrofluidischen Funktionselement (FS2) gefangenen Nanopartikel und zwar mit dessen Farbzentrum (FZ) - in Wechselwirkung. Dies kann zum Beispiel bedeuten, dass das mikrofluidische Funktionselement (FS2) in einer Vertiefung einen Nanodiamanten als Nanopartikel (NP) mit einem NV-Farbzentrum als Farbzentrum (FZ) aufnimmt und durch die dadurch erzwungene Positionierung des Farbzentrums (FZ) gegenüber einem optischen Funktionselement, beispielsweise einer Koppelstruktur für einen Lichtwellenleiter (LWL1, LWL2), eine solche optische Kopplung zwischen Nanodiamanten und Lichtwellenleiter (LWL1, LWL2) erzwingt. Ein solches mikrooptisches Funktionselement - hier beispielhaft der Lichtwellenleiter (LWL1, LWL2) - ist dann dazu geeignet und/oder vorgesehen, optisch mit zumindest dem betreffenden Farbzentrum (FZ) des betreffenden Nanopartikels (NP) - hier den beispielhaft in dem mikrofluidischen Funktionselement (FS2) gefangenen Nanokristall und zwar mit dessen Farbzentrum (FZ) - in Wechselwirkung zu treten. Bevorzugt handelt es sich bei dem Nanopartikel (NP) um einen Nanodiamantkristall mit einem NV-Zentrum oder um eine Nano-LED, deren aktive Schicht dann mit dem besagten Lichtwellenleiter (LWL1) beispielhaft gekoppelt werden kann.
  • Die eigentliche Funktion des betreffenden mikrofluidischen Bauelements (FS2) ist dann in diesem Beispiel die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, dass beispielsweise ein Farbzentrum (FZ) eines Nanokristalls mit einem mikrooptischen Bauelement (LWL1, LWL2) in Wechselwirkung treten kann.
  • Um ein vollständiges optisches System herstellen zu können, ist es sinnvoll ein Druckverfahren zur Herstellung lichtemittierender Bauelemente auf dem Halbleitersubstrat durchzuführen. Auf das Verfahren nach Röcken wurde bereits hingewiesen. Eine solche Herstellung kann aber auch das Drucken oder Aufbringen eines kolloidalen Lackes (KL) mit NANO-LEDs als Nanopartikel (NP) vorsehen.
  • Ganz allgemein kann hier festgehalten werden, dass in der hier offengelegten technischen Lehre eine CMOS-Schaltung mit Nanokristallen als Nanopartikel (NP) mit Farbzentren (FZ) hinsichtlich Fertigung und dem Zusammenwirken der Nanopartikel (NP) mit Bauelementen der CMOS-Schaltung offenbart wurde.
  • Ein solches quantentechnologisches und/oder mikro-elektrooptisches und/oder mikroelektronisches und/oder photonisches System umfasst bevorzugt einen Halbleiterkristall als planares Substrat (Sub) und einen weiteren Kristall, bevorzugt in Form eines Nanopartikels (NP) in Form eines Nanokristalls , wobei der Halbleiterkristall, also das planare Substrat (Sub), eine CMOS-Schaltung oder eine andere mikroelektronische Schaltung umfasst und wobei der weitere Kristall zumindest ein Farbzentrum (FZ) aufweist und wobei der weitere Kristall mit dem Halbleiterkristall, also dem planaren Substrat (Sub), mechanisch insbesondere durch einen kolloidalen Film (FM) und/oder einen kolloidalen Lack (KL) verbunden ist. Das Besondere ist, dass es eine Wirkverbindung zwischen dem Farbzentrum (FZ des weiteren Kristalls und zumindest einem Teil der CMOS-Schaltung oder anderen mikroelektronische Schaltung des Halbleiterkristalls, also dem planaren Substrat (Sub), gibt. Wie diese gefertigt werden kann, wurde oben erläutert. Bevorzugt ist der weitere Kristall ein Diamantkristall oder ein Siliziumkristall. Bevorzugt ist der weitere Kristall ein Diamantkristall und das mindestens eine Farbzentrum (FZ) ist ein NV-Farbzentrum und/oder ein H3-Zentrum oder der weitere Kristall ist ein Siliziumkristall und das mindestens eine Farbzentrum (FZ) ist ein SiV-Farbzentrum. Bevorzugt umfasst die CMOS-Schaltung oder eine andere mikroelektronische Schaltung des Halbleiterkristalls (Sub) ein lichtempfindliches Bauelement (nG, pG), beispielsweise eine Fotodiode, die beispielsweise mit dem Farbzentrum (FZ) des weiteren Kristalls wechselwirken kann, und/oder ein lichtemittierendes Bauelement, wie die beispielhaft oben beschriebene MESA-Struktur (MS), die beispielhaft ebenfalls mit dem Farbzentrum (FZ) wechselwirken kann. Bevorzugt ist somit die Wirkverbindung zwischen der CMOS-Schaltung oder anderen mikroelektronische Schaltung des Halbleiterkristalls (Sub) einerseits und dem Farbzentrum (FZ) eine optische und/oder elektromagnetische und/oder elektronische Wirkverbindung.
  • Bevorzugt weist darüber hinaus die CMOS-Schaltung oder andere mikroelektronische Schaltung des Halbleiterkristalls (Sub) ein elektromagnetisches Bauelement, insbesondere ein Magnetfeld erzeugendes Bauelement, beispielsweise eine Flachspule, und/oder ein elektrisches Feld erzeugendes Bauelement, beispielsweise die Elektrode eines Kondensators, auf. Dies kann beispielsweise dazu benutzt werden, um die optischen Eigenschaften des Farbzentrums (FZ) zu beeinflussen. Im Falle einer Elektrode wird diese bevorzugt aus einem elektrisch leitenden, für die Pumpstrahlung des Farbzentrums (FZ) und/oder die Fluoreszenzstrahlung des Farbzentrums (FZ) im Wesentlichen transparentes Material gefertigt. Im Falle eines NV-Farbzentrums als Farbzentrum (FZ) eines Diamantkristalls als weiterem Kristall ist die Elektrode bevorzugt aus Indium-Zinn-Oxid (ITO) oder einem ähnlichen Material gefertigt. Somit kann das Farbzentrum des weiteren Kristalls (beispielsweise ein NV-Zentrum eines Diamant-Nanokristalls) mit einer elektromagnetischen Welle wechselwirkt, die eine solche transparente Elektrode passiert hat. Auch kann das Farbzentrum eines weiteren Kristalls (beispielsweise ein NV-Zentrum eines Diamant-Nanokristalls) eine elektromagnetische Welle emittieren, die eine solche transparente Elektrode passiert. Das von der transparenten Elektrode erzeugte elektrische Feld kann die Eigenschaften des Farbzentrums (FZ) des weiteren Kristalls beeinflussen. Bevorzugt wird das Farbzentrum (FZ) in der Nähe einer Kante der transparenten Elektrode platziert, da durch den Spitzeneffekt die Feldstärke an der Kannte der transparenten Elektrode erhöht ist und somit eine stärkere Beeinflussung des Farbzentrums stattfinden kann.
  • Bevorzugt ist somit dieses elektromagnetische Bauelement, beispielsweise die besagte transparente Elektrode und/oder die besagte Flachspule, dazu bestimmt und/oder geeignet, physikalische Parameter, insbesondere optische Parameter des Farbzentrums (FZ) zu verändern.
  • In analoger Weis kann es sinnvoll sein, dass die CMOS-Schaltung oder andere mikroelektronische Schaltung des Halbleiterkristalls (Sub) ein elektromagnetisches Bauelement, insbesondere ein Magnetfeld erzeugendes Bauelement und/oder eine ein elektrisches Feld erzeugendes Bauelement umfasst und dass dieses elektromagnetische Bauelement dazu bestimmt und/oder geeignet ist, physikalische Parameter, insbesondere optische Parameter des Farbzentrums (FZ) in Abhängigkeit von Zuständen der CMOS-Schaltung oder anderen mikroelektronischen Schaltung des Halbleiterkristalls (Sub) zu verändern. Somit wird dann die CMOS-Schaltung in die Lage versetzt, den Zustand des Farbzentrums (FZ) zu verändern. Bevorzugt wertet die CMOS-Schaltung den Zustand lichtempfindlicher Sensoren (nG, pG) aus, der von der Lichtabstrahlung des Farbzentrums (FZ) abhängt. Ebenso ist es sinnvoll, wenn die CMOS-Schaltung die Einstrahlung elektromagnetischer Wellen in das Farbzentrum (FZ) steuern kann.
  • Sofern der weitere Kristall zumindest zwei Farbzentren (FZ) aufweist, ist es in einigen Anwendungsfällen zweckmäßig, dass diese dazu bestimmt und vorgesehen sind, in eine physikalisch beobachtbare Wechselwirkung zu treten. Dies ist beispielsweise bei Anwendungen im Quantum-Computing sinnvoll. Beispielsweise kann es sinnvoll sein, wenn in einem Diamantkristall zwei NV-Zentren miteinander wechselwirken, insbesondere verschränkt sind.
  • Zu diesem Zweck ist es sinnvoll, wenn die CMOS-Schaltung oder andere mikroelektronische Schaltung des Halbleiterkristalls (Sub) über Mittel, insbesondere Elektroden, die insbesondere aus ITO oder ähnlichen Materialien gefertigt sein können, und/oder magnetfelderzeugende Vorrichtungsteile, verfügt, die dazu vorgesehen sind, die Wechselwirkung der mindestens zwei Farbzentren (FZ) zu erfassen und/oder zu beeinflussen. Beispielsweise können elektrostatische Felder für die Änderungen der optischen Eigenschaften verwendet werden, was zu Selektierung und De-Selektierung einzelner Farbzentren der Farbzentren (FZ) genutzt werden kann.
  • Die Erfindung umfasst auch ein Trägermaterial (TM) zur Verwendung in einem Verfahren zur Herstellung eines quantentechnologischen, mikro-elektrooptischen oder mikroelektronischen oder photonischen Systems, wobei das Trägermaterial (TM) dazu bestimmt ist, dass ein Nanopartikel (NP), insbesondere ein Nanokristall und/oder eine nanoskopische Vorrichtung, in das Trägermaterial (TM) eingebettet wird. Der Nanopartikel (NP) weist mindestens ein Farbzentrum (FZ) mit mindestens einer charakteristischen elektromagnetischen Wellenlänge und/oder mindestens einer elektromagnetischen Resonanzwellenlänge auf. Damit das Farbzentrum (FZ) mit den optischen Funktionselementen der restlichen Vorrichtung zusammenwirken kann, dämpft das Trägermaterial (TM) die elektromagnetische Strahlung der mindestens einen charakteristischen Wellenlänge des mindestens einen Farbzentrums (FZ) und/oder der mindestens einen Resonanzwellenlänge um nicht mehr als 50% und/oder besser nicht mehr als 25% und/oder besser nicht mehr als 10% und/oder besser nicht mehr als 5% beim Durchgang dieser elektromagnetischen Strahlung durch eine Strecke von 1mm des ausgehärteten Trägermaterials (TM) (z.B. in Form des besagten kolloidalen Films). Bevorzugt ist das Trägermaterial (TM) Gelatine. Hierzu passt beispielsweise die Verwendung eines Nanopartikels (NP), der ein Nanodiamant mit einem NV-Zentrum (NV) ist, oder eines der anderen vorgestellten Nanopartikel (NP).
  • Orientierung der Nanopartikel (NP)
  • Hier wird ein quantentechnologisches oder mikro-elektronisches oder mikrooptisches oder photonisches System vorgestellt, dass ein planares Substrat (Sub) mit einem Teilbereich eines kolloidalen Films (FM) aufweist, der zumindest einen Nanopartikel (NP) mit einem Farbzentrum (FZ) aufweist. Der Nanopartikel (NP) ist mit einer Teilvorrichtung in Form eines Ausrichtungshilfsmittels (Fe) versehen, die eine Ausrichtung und/oder Positionierung des Nanopartikels (NP) und/oder die Ausrichtung zumindest einer Achse des Nanopartikels (NP) erlaubt.
  • Das planare Substrat (Sub) ist bevorzugt mit einer Teilvorrichtung in Form einer Fangvorrichtung (Fa) versehen, die eine Ausrichtung und/oder Positionierung des Nanopartikels (NP) und/oder die Ausrichtung zumindest einer Achse (AS) des Nanopartikels (NP) erlaubt.
  • Bevorzugt ist der Nanopartikel (NP) ein Nanokristall. Die Achse (AS) ist bevorzugt eine Kristallachse des Nanokristalls.
  • Bevorzugt ist das Ausrichtungshilfsmittel (Fe) eine ferromagnetische Teilstruktur des Nanopartikels (NP).
  • Bevorzugt ist die Fangvorrichtung (Fa) eine ferromagnetische Teilstruktur des planaren Substrats (Sub).
  • Bevorzugt ist das Ausrichtungshilfsmittel (Fe) dazu geeignet und vorgesehen ist, mittels eines Feldes eine translatorische Kraft auf den Nanopartikel (NP) auszuüben.
  • Bevorzugt ist die Fangvorrichtung (Fa) dazu geeignet und/oder vorgesehen ist, mittels des Ausrichtungshilfsmittels (Fe) und eines Feldes eine translatorische Kraft auf den Nanopartikel (NP) auszuüben.
  • Bevorzugt weist der Nanopartikel (NP) zwei Ausrichtungshilfsmittel (Fe) aufweist und/oder ein Ausrichtungshilfsmittel (Fe) auf. Die beiden Ausrichtungshilfsmittel (Fe) und/oder das eine Ausrichtungshilfsmittel (Fe) sind bevorzugt dazu geeignet und/oder vorgesehen, zumindest zeitweise ein Drehmoment auf den Nanopartikel (NP) auszuüben.
  • Bevorzugt ist die Fangvorrichtung (Fa) dazu geeignet und/oder vorgesehen, mittels des Ausrichtungshilfsmittels (Fe) und eines Feldes ein Drehmoment auf den Nanopartikel (NP) auszuüben.
  • Bevorzugt erzeugt hierzu die Fangvorrichtung (Fa) und/oder das Ausrichtungshilfsmittel (Fa) ein magnetisches und/oder elektrostatisches und/oder anderes elektromagnetisches Feld erzeugt.
  • Bevorzugt üben die Fangvorrichtung (Fa) und das Ausrichtungshilfsmittel (Fe) aufeinander wine Wechselwirkung aus.
  • Bevorzugt ist die Fangvorrichtung (Fa) dazu geeignet und/oder bestimmt, die Platzierung und/oder Ausrichtung des Nanopartikels (NP) mittels einer Wechselwirkung zwischen der Fangvorrichtung (Fa) und dem Ausrichtungshilfsmittel (Fe) zu beeinflussen.
  • 10 zeigt hierzu einen beispielhaften Nanopartikel (NP) mit einem Farbzentrum (FZ). Der Nanopartikel (NP) ist quaderförmig. Bevorzugt sind seine drei Seitenlängen voneinander unterschiedlich.
  • An zwei entgegengesetzten Enden ist der Quader des Nanopartikels (NP) mit zwei der besagten Ausrichtungshilfsmittel (Fe) versehen. Bevorzugt handelt es sich hierbei um permanentmagnetische Teilstrukturen, beispielsweise ferromagnetische Eisen- oder Niob-Schichten, die geeignet vormagnetisiert sind. Der Nanopartikel (NP) ist bevorzugt ein Nanokristall, beispielsweise ein Nanodiamantkristall. Die Quader-Achse (AS) stimmt bevorzugt mit einer Kristallgitter-Achse des Nanokristalls überein. Bevorzugt wird das Farbzentrum (FZ) in dieser Quaderachse (AS) durch Einzelionenimplantation gefertigt. Im Falle eines Nanodiamantkristalls handelt es sich bei dem Farbzentrum bevorzugt um ein NV-Zentrum. Auf die bereits erwähnten anderen Nanopartikel (NP) und insbesondere die Nano-LEDs wird hier besonders hingewiesen. Sofern die Ausrichtungshilfsmittel (Fe), wie im Falle Eisen Niob elektrisch leitend sind, können sie, beispielsweise nach Beschichtung mit einem Korrosionsschutz, beispielsweise mittels Goldbeschichtung, für die elektrische Kontaktierung elektrisch funktioneller Nanopartikel (NP) verwendet werden.
  • Während in der 8 der Nanopartikel in einer mehr oder weniger beliebigen Ausrichtung während des Belackungsprozesses innerhalb der zweiten Fangstruktur (FS2) zu liegen kommt, kommt er in der in der 11 in einer vordefinierten Ausrichtung mit erhöhter Wahrscheinlichkeit zum Liegen. Hierfür verfügt das Substrat der 11 im Gegensatz zur 8 über zwei Fangvorrichtungen (Fa), die im Zusammenwirken mit den Ausrichtungshilfsmitteln (Fe) des Nanopartikels für eine geeignete Ausrichtung des Nanopartikels (NP) in vordefinierter Weise durch Translationskräfte und/oder Drehmomente sorgen.
  • In vielen quantentechnologischen Vorrichtungen ist es wichtig, die Nanopartikel (NP) in einer vorgegebenen Weise auszurichten. Im Folgenden wird ein beispielhafter Prozess hierzu beschrieben. Wir beziehen uns wieder auf 4. Zunächst wird ein planares Substrat (Sub) zum Abscheiden der Nanopartikel (NP) bereitgestellt. (Schritt a der 4). Es ist vorteilhaft, die Nanopartikel (NP) wie in 4 gezeigt zunächst als Nanokristalle mit einer vordefinierten Kristallorientierung auf einem Trägermaterial, hier einen beispielhaften Abscheidesubstrat (W) aufwachsen zu lassen. In dem Beispiel der 4 kann es sich beispielsweise um eine Diamantschicht (D) auf einem Silizium-Wafer als Abscheidesubstrat (W) handeln, die im folgenden Verfahrensschritt (Schritt b der 4), beispielsweise durch eine Plasmaabscheidung auf dem Silizium-Wafer als Abscheidesubstrat (W) abgeschieden wird. Aus der Literatur sind verschiedene Verfahren zur Erzeugung orientierter Diamantschichten auf Silizium-Wafern bekannt.
  • Beispielsweise durch Einzelionenimplantation in Kombination mit einer Wärmebehandlung und ggf. der Implantation weiterer Atome, wie beispielsweise Schwefel, können nun in einem folgenden weiteren Arbeitsschritt (Schritt d in 4) Farbzentren (FZ) in der funktionalen Schicht (D) erzeugt werden.
  • Bevorzugt erfolgt nun in einem weiteren Schritt (Schritt d der 4) eine Strukturierung der funktionalen Schicht (D). Dies kann beispielsweise durch Plasmaätzung und/oder nasschemische Ätzung und/oder Gasphasenätzung etc. geschehen. Die Strukturierung kann ggf. auch schon bei der Abscheidung und/oder nach der Abscheidung und vor dem Herstellen der Farbzentren (FZ) erfolgen. Beispielsweise ist es vorteilhaft das Material der Schicht (D) direkt in Nadelform mit vorgegebene Kristallorientierung abzuscheiden.
  • In einem letzten Schritt (Schritt e der 4) erfolgt die Ablösung der hergestellten Nanopartikel (NP) von dem Wafer (W) bevorzugt durch Unterätzung des Materials des Wafers (W) im Bereich der Nanopartikel (ND).
  • Bevorzugt werden nun die Nanopartikel vor dem Ablösen (Schritt f der 9) noch mit einem Ausrichtungshilfsmittel, beispielsweise in Form einer ferromagnetischen Teilstruktur versehen. Dies kann beispielsweise durch Abscheiden einer Eisenschicht als Ausrichtungshilfsmittel (Fe) auf der Schicht (D) (Schritt d der 9) geschehen. Typischerweise ist je nach Material der Schicht (D) noch die Abscheidung einer Haftvermittlungsschicht notwendig. Eine solche Teilstruktur kann auch durch fokussierte Ionenimplantation, beispielsweise von Eisen, hergestellt werden. Bevorzugt wird nach der Strukturierung der Eisenschicht noch eine Goldschicht oder ähnliches auf der Eisenschicht zusammen mit einer Haftvermittlungsschicht zwischen Eisenschicht und Goldschicht abgeschieden und strukturiert.
  • Die Ausrichtungshilfsmittel (Fe) können bevorzugt mechanisch und/oder magnetisch und/oder elektrostatisch und/oder elektromagnetisch mit den Fangvorrichtungen (Fa) des planaren Substrats (Sub), die später erläutert werden zusammenwirken.
  • Es erfolgt typischerweise auch die Herstellung der Nanopartikel (NP) auf dem Wafer (W) durch einen Strukturierungsprozess (Schritt e der 9).
  • Des Weiteren erfolgt typischerweise auch wieder die Ablösung der Nanopartikel (NP) von dem Wafer (W) (Schritt f der 9).
  • Die Reihenfolge der Schritte in den 4 und 9 kann variieren und ggf. durch weitere Schritte je nach Anwendung ergänzt werden.
  • Die so präparierten Nanopartikel (NP) können dann auf einem planaren Substrat (Sub) eingesetzt werden, das bevorzugt Fangvorrichtungen (Fa) aufweist, die mit den besagten Ausrichtungshilfsmitteln (Fe) der Nanopartikel (NP) wechselwirken.
  • Ein Problem kann eine Wechselwirkung der Ausrichtungshilfsmittel (Fe) der Nanopartikel (NP) untereinander innerhalb des kolloidalen Lackes werden. Bevorzugt sollten die Nanopartikel (NP) und die Ausrichtungshilfsmittel (Fe) so gestaltet werden, dass die Dicke der Nanopartikel (NP) so groß ist, dass eine Kraft zwischen den Ausrichtungshilfsmitteln (Fe) zweier Nanopartikel für eine Zusammenballung zu klein ist oder dass die Ausrichtungshilfsmittel (Fe) der Nanopartikel (NP) zweier Nanopartikel (NP) sich bei direktem Kontakt abstoßen.
  • Es ergibt sich dann ein Verfahren zur Herstellung eines quantentechnologischen oder mikroelektronischen oder mikrooptischen oder photonischen Systems mit den Schritten:
    • • Bereitstellen eines planaren Substrats (Sub);
    • • Aufbringen und ggf. Strukturieren eines kolloidalen Films (FM) mittels eines kolloidalen Lackes (KL), der zumindest einen Nanopartikel (NP) mit einem Farbzentrum (FZ) aufweist, insbesondere auch durch Belacken und/oder Bedrucken und/oder Besprühen und/oder lokales Benetzen und/oder Beschichten;
    • • Ausrichten und/oder Positionieren des Nanopartikels (NP) mittels mit einer Teilvorrichtung des Nanopartikels (NP) in Form eines Ausrichtungshilfsmittels (Fe), das eine Ausrichtung des Nanopartikels (NP) und/oder zumindest einer Achse (AS) des Nanopartikels (NP) und/oder eine Positionierung des Nanopartikels (NP) auf dem Substrat relativ zu anderen Funktionselementen des planaren Substrats (Sub) z.B. optischen Funktionselementen wie Lichtwellenleitern (LWL1, LWL2) erlaubt.
  • Als weiterer Verfahrensschritt ergibt sich dann der zusätzliche Schritt, des Ausrichtens und/oder Positionieren des Nanopartikels (NP) mittels eines magnetischen und/oder elektrischen und/oder sonstigen elektromagnetischen Feldes durch Wechselwirkung mit dem Ausrichtungshilfsmittel (Fa). Hierzu wird bevorzugt auf dem planaren Substrat (Sub) vor dem Aufbringen des kolloidalen Lacks (KL) eine oder bevorzugt mehrere Fangstrukturen (Fa) gefertigt, die mit den Ausrichthilfsmitteln (Fe) der Nanopartikel (NP) wechselwirken können. Bevorzugt sind die Nanopartikel (NP) in dem kolloidalen Lack (KL) Nanokristalle. Wird eine Achse (AS) eines solchen Nanokristalls durch eine solche Fangstruktur (Fa) ausgerichtet, so ist bevorzugt die Achse (AS), die ausgerichtet wird, eine Kristallachse des Nanokristalls. Dies ist deshalb von besonderer Wichtigkeit, weil die optischen Eigenschaften und andere Eigenschaften von Farbzentren (FZ) in Nanokristallen typischerweise nicht unabhängig von der Kristallorientierung sind. Besonders bevorzugt wird das Ausrichtungshilfsmittel (Fa) als eine ferromagnetische Teilstruktur des Nanopartikels (NP) gefertigt, da solche ferromagnetischen Teilstrukturen in Planartechnik vor dem Ablösen der Nanopartikel (NP) von einem Hilfsträger leicht zu fertigen sind.
  • Bei dem Aufbringen des kolloidalen Lackes (KL) fließt dieser mit den somit vorpräparierten Nanopartikeln (NP), die ein Farbzentrum (FZ) und ein Ausrichthilfsmittel (Fe) aufweisen, über das planare Substrat (Sub). Bevorzugt üben dann Fangvorrichtungen (Fa), die bevorzugt auf oder in dem planaren Substrat (Sub) gefertigt sind, eine Kraft und/oder ein Drehmoment auf die durch das Trägermittel (TM) des kolloidalen Lackes (KL) mitgerissenen Nanopartikel (NP) aus. In einem solchermaßen modifizierten Verfahren erfolgt somit das Ausüben einer translatorischen Kraft und/oder eines Drehmoments mittels des Ausrichtungshilfsmittels (Fe) des jeweiligen Nanopartikels (NP) und eines Feldes auf den Nanopartikel (NP), wobei das Feld bevorzugt durch eine Fangvorrichtung (Fa) des planaren Substrats (Sub) erzeugt wird. Natürlich ist es denkbar, statt solcher Fangvorrichtungen (Fa) des planaren Substrats beispielsweise die Felder im Drehteller eines Spin-Coaters (SC) zu erzeugen. Im Sinne dieser Offenlegung sollen solche felderzeugenden Vorrichtungen auch als Fangvorrichtungen (Fa) des planaren-Substrats (Sub) angesehen werden.
  • Das vorgeschlagene Verfahren umfasst daher bevorzugt auch den Schritt des Erzeugens eines Feldes, das mit dem Ausrichtungshilfsmittel (Fe) des Nanopartikels (NP) wechselwirkt, durch eine Teilvorrichtung des planaren Substrats (Sub), die im Folgenden als Fangvorrichtung (Fa) bezeichnet wird.
  • Um uns einen beispielhaften Platzierungsprozess vorzustellen, nehmen wir an, die Nanopartikel (NP) hätten eine mehr oder wenige rechteckförmige Nadelform (10), wobei die Nadelform durch einen Nanokristall, der Teil des jeweiligen Nanopartikels (NP) ist, vorgegeben wird. Der Nanopartikel (NP) weise als Ausrichtungshilfsmittel (Fe) zwei ferromagnetische Bereiche an seinen Enden auf. In der 10 ist ein solcher Nanopartikel (NP) beispielhaft schematisch in Aufsicht und Seitenansicht dargestellt.
  • Die 11 entspricht der 8, wobei diese nun die Wechselwirkung zwischen dem Nanopartikel (NP) und dem planaren Substrat (Sub) verdeutlichen soll. Als beispielhaftes planares Substrat (Sub) dient hier wieder ein CMOS.-Wafer, der nun aber mit beispielhaft ferromagnetischen Fangvorrichtungen (Fa) ausgestattet ist. Da der Nanopartikel (NP) bestrebt ist, eine energetische Minimallage zu erreichen, wird er sich so anordnen, dass die magnetischen Pole seiner beispielhaft ferromagnetischen Ausrichtungshilfsmittel (Fe) anti-parallel zu den magnetischen Polen der bevorzugt ferromagnetischen Fangvorrichtungen (Fa) des planaren Substrats (Sub) sind. Diese Anti-Parallelität ist durch die entsprechenden Pfeile in der 11 angedeutet.
  • Soll also die Wechselwirkung zwischen den Fangvorrichtungen (Fa) des planaren Substrats (Sub) und den Ausrichtungshilfsmitteln (Fe) der Nanopartikel (NP) magnetischer Natur sein, so ist es hilfreich, wenn die Nanopartikel (NP) längs ihrer Achse (Bezugszeichen AS in 10) magnetisiert sind und die Fangvorrichtungen (Fe) parallel zur Oberfläche des planaren Substrats (Sub).
  • Dann kann beispielsweise eine Platzierung des Nanopartikels (NP) auf dem planaren Substrat (Sub) mittels einer Wechselwirkung zwischen dem Ausrichtungshilfsmittel (Fe) des Nanopartikels (NP) und einer Fangvorrichtung (Fa) des planaren Substrats (Sub) erfolgen.
  • Dies ist typischerweise dann auch mit einer Ausrichtung des Nanopartikels (NP) durch diese Wechselwirkung auf dem planaren Substrat (Sub) mittels dieser Wechselwirkung zwischen dem Ausrichtungshilfsmittel (Fe) des Nanopartikels und der Fangvorrichtung (Fa) des planaren Substrats (Sub) verbunden.
  • Vorteil der Erfindung
  • Die hier offengelegte technische Lehre ermöglicht die Fertigung mikroelektronischer CMOS-Schaltungen, die NV-Farbzentren umfassen. Hierdurch werden die eigentlich nicht kompatiblen Welten miteinander vereint und der Möglichkeit einer kostengünstigen Massenfertigung zugeführt.
  • Das hier vorgestellte Fertigungsverfahren ermöglicht die Kombination von Diamant-Nanokristallen mit einer CMOS-Technik. Die Vorteile sind hierauf aber nicht beschränkt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Beginn des Belackungsverfahrens zum Aufbringen der Nanopartikel (ND) mittels einer Lackschleuder (SC) auf ein Substrat (Sub);
    2
    Bereitstellen des planaren Substrates (Sub);
    3
    Bereitstellen des Lackes in Form der kolloidalen Lösung (KM) von Nanopartikeln (ND) in einem Trägermittel (TM);
    4
    Fotolithografie;
    5
    Plasmabehandlung;
    6
    Lackentfernung;
    7
    Belacken (7) (ggf. auch Beschichte, lokales Benetzen oder Bedrucken) des planaren Substrates (Sub) mit der kolloidalen Lösung (KM) der Nanopartikel (ND), um einen kolloidalen Film (FM) auf einer Oberfläche (OF) des planaren Substrats (Sub) zu erhalten;
    8
    Anhärten des kolloidalen Films (FM) (englisch: Pre-Bake);
    9
    Strukturierung des kolloidalen Films (FM);
    10
    Aushärten des kolloidalen Films (FM) (englisch: Post-Bake);
    AS
    Quaderachse;
    AOX
    Abdeck-Oxid der beispielhaften CMOS-Schaltung;
    D
    funktionale Schicht. In dem Beispiel der 4 handelt es sich um eine beispielhafte Diamantschicht auf einem beispielhaften Silizium-Wafer als Abscheidesubstrat (W).
    DP
    Dispenser;
    Dr
    Drain-Gebiet des beispielhaften CMOS-Transistors;
    DrK
    Drain-Kontakt des beispielhaften CMOS-Transistors;
    Fa
    Fangvorrichtung;
    Fe
    Ausrichtungshilfsmittel;
    FM
    kolloidaler Film des kolloidalen Lackes (KM) auf dem Substrat (Sub);
    FOX
    Feld-Oxid der beispielhaften CMOS-Schaltung;
    FR
    Belackungsflussrichtung des kolloidalen Lackes (Kl) während der Belackung,
    FS
    Fangstruktur. Die Fangstruktur dient zum Stoppen der Bewegung der Nanopartikel (NP) auf der Oberfläche (OF) des zu belackenden Substrats (Sub) während der Belackung. Bevorzugt dient sie im Zusammenwirken mit der Leitstruktur (LS) und der Form der Nanopartikel (NP) und ggf. weiteren Funktionselementen der Oberfläche des planaren Substrats (Sub) und ggf. weiteren Funktionselementen der Nanopartikel (NP) auch zur Ausrichtung der Nanopartikel (NP) relativ zur Bewegungsrichtung, der Flussrichtung (FR), des kolloidalen Lackes und relativ zur Oberflächennormalen der Oberfläche (OF) des zu belackenden planaren Substrates (Sub).
    FS1
    beispielhafte erste Fangteilstruktur der beispielhaften Fangstruktur (FS). Die erste Fangteilstruktur dient hier beispielhaft dazu, die Entkommenswahrscheinlichkeit eines einmal eingefangenen Nanopartikels (NP) zu vermindern;
    FS2
    beispielhafte zweite Fangteilstruktur der beispielhaften Fangstruktur (FS). Die beispielhafte zweite Fangteilstruktur dient zur endgültigen Positionierung und Ausrichtung des eingefangenen Nanopartikels (NP). Bevorzugt ist die zweite Teilfangstruktur so zusammen mit der ersten Fangteilstruktur (FS2) gefertigt, dass sie im Zusammenwirken mit der ersten Teilfangstruktur das Einfangen von genau einem Nanopartikel (NP) sicherstellt. Beispielsweise können die Maße so gewählt werden, dass nach dem Einfangen des Nanopartikels (NP) mit vorbekannter Geometrie kein weiterer Nanopartikel (NP) mehr eingefangen wird.
    FZ
    Farbzentrum. Es kann sich hierbei beispielsweise um ein NV-Zentrum (NV) in einem Diamant-Nanokristall (ND) und/oder um ein SiV-Zentrum (SiV) in einem Silizium-Nanokristall und7oder um ein H3-Zentrum in einem Diamant-Nanokristall handeln;
    GA
    Gate-Anschluss =Steuerelektrode des beispielhaften CMOS-Transistors;
    GOX
    Gate-Oxid des beispielhaften CMOS-Transistors;
    KL
    kolloidale Mischung, die auch hier als kolloidaler Lack bezeichnet wird;
    LG
    lichtemittierendes Gebiet der MESA-Struktur (MS);
    LM
    Lösemittel;
    LS
    Leitstruktur. Die Leitstruktur richtet die Bewegung der Nanopartikel (NP) auf der Oberfläche (OF) des zu belackenden planaren Substrats (Sub) auf ein Ziel hin aus.
    LWL1
    erste Lichtwellenleiterstruktur;
    LWL2
    zweite Lichtwellenleiterstruktur;
    M2L
    beispielhafte zweite Metalllage des beispielhaften CMOS-Transistors;
    MS
    Mesa-Struktur;
    ND
    Nano-Diamant als Beispiel für einen funktionalen Nanopartikel (NP);
    nG
    N-Wanne des lichtempfindlichen Bauteils der CMOS-Schaltung;
    NP
    Nanopartikel. Hierbei kann es sich beispielsweise um amorphe Nanopartikel aber auch um Nanokristalle handeln. Insbesondere kann es sich um Nano-Diamanten und/oder Nano-Silizium-Kristalle und/oder Nanoglaspartikel und/oder anderer Nano-Kristalle und/oder Nano-Partikel ganz allgemein handeln;
    NV
    NV-Farbzentrum in einem Nanodiamanten (ND) als Beispiel für ein Farbzentrum (FZ) in einem Nanokristall als beispielhafter Nanopartikel (NP).;
    NW
    N-Wanne des beispielhaften CMOS-Transistors;
    OF
    Oberfläche des planaren Substrats (Sub);
    oMS1
    erster Abschnitt der zweiten Metallblende;
    oMS2
    zweiter Abschnitt der zweiten Metallblende;
    pG
    Kathode der beispielhaften PN-Diode, die als beispielhaftes lichtempfindliches Bauteil dient;
    RA
    Rotationsachse der Lackschleuder (SC);
    SA
    Symmetrieachse;
    SC
    Lackschleuder mit Drehteller;
    Sr
    Source-Gebiet des beispielhaften CMOS-Transistors;
    SrK
    Source-Kontakt des beispielhaften CMOS-Transistors;
    Sub
    planares Substrat, bevorzugt ein Wafer;
    TM
    Trägermittel, beispielsweise Gelatine;
    uMS1
    erster Abschnitt der ersten Metallblende;
    uMS2
    zweiter Abschnitt der ersten Metallblende;
    VR
    Verrühren oder anderes geeignetes Vermischen der Nanopartikel (NP) bzw. Nano-Diamanten (ND) mit dem Trägermittel (TM)
    W
    beispielhaftes Abscheidesubstrat für die Herstellung funktionale Nanopartikel (NP). In 4 beispielweise ein Silizium-Wafer;
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Claims (2)

  1. Quantentechnologisches, mikro-elektrooptisches oder photonisches oder mikroelektronisches System in CMOS-Technik - mit einem Substrat (Sub) aus einem indirekten Halbleiter mit einer Oberfläche (OF); - mit einer halbleitenden MESA-Struktur (MESA), die gegenüber dem Substrat isoliert ist; - mit einem ersten Bereich (E) der MESA-Struktur (MESA) und - mit einem zweiten Bereich (B) der MESA-Struktur (MESA) und - mit einem dritten Bereich (C) der MESA-Struktur (MESA) und - mit einem Nanopartikel (NP) mit einem Farbzentrum (FZ) und - mit einem mikrooptischen Funktionselement (LWL2), - wobei das Substrat (Sub) das mikrooptische Funktionselement (LWL2) umfasst und - wobei der erste Bereich (E) einen ersten Leitfähigkeitstyp aufweist und - wobei der zweite Bereich (B) einen zweiten Leitfähigkeitstyp aufweist und - wobei der dritte Bereich (E) einen ersten Leitfähigkeitstyp aufweist und - der zweite Bereich (B) zwischen dem ersten Bereich (E) und dem zweiten Bereich (C) angeordnet ist und - wobei es sich bei der MESA-Struktur (MESA) um eine PNP- oder NPN-MESA-Struktur handelt und - wobei die Breite des zweiten Bereichs (B) kleiner als 3µm und/oder kleiner als 1µm und/oder kleiner als 500nm und/oder kleiner als 200nm und/oder kleiner als 100nm und/oder kleiner als 50nm und/oder kleiner als 25nm und/oder kleiner als 10nm ist und - wobei der zweite Bereich (B) dazu geeignet und vorgesehen ist, bei Anlegen einer ausreichend hohen elektrischen Spannung Licht zu emittieren und - wobei das vom zweiten Bereich (B) emittierte Licht mit dem Farbzentrum (FZ) des Nanopartikels (NP) mittels des mikrooptischen Funktionselements (LWL2) zusammenwirkt.
  2. Quantentechnologisches, mikro-elektrooptisches oder photonisches oder mikroelektronisches System in CMOS Technik - mit einem Substrat (Sub) aus einem indirekten Halbleiter mit einer Oberfläche (OF); - mit einer mikroelektronischen Schaltung in CMOS-Technik und - mit einer halbleitenden MESA-Struktur (MESA), die gegenüber dem Substrat isoliert ist; - mit einem ersten Bereich (E) der MESA-Struktur (MESA) und - mit einem zweiten Bereich (B) der MESA-Struktur (MESA) und - mit einem dritten Bereich (C) der MESA-Struktur (MESA) und - mit einem mikrooptischen Funktionselement (LWL2), - wobei das planare Substrat (Sub) die mikroelektronische CMOS-Schaltung umfasst und - wobei das Substrat (Sub) das mikrooptische Funktionselement (LWL2) umfasst und - wobei das Substrat (Sub) die MESA-Struktur (MESA) umfasst und - wobei der erste Bereich (E) einen ersten Leitfähigkeitstyp aufweist und - wobei der zweite Bereich (B) einen zweiten Leitfähigkeitstyp aufweist und - wobei der dritte Bereich (E) einen ersten Leitfähigkeitstyp aufweist und - der zweite Bereich (B) zwischen dem ersten Bereich (E) und dem zweiten Bereich (C) angeordnet ist und - wobei es sich bei der MESA-Struktur (MESA) um eine PNP- oder NPN-MESA-Struktur handelt und - wobei die Breite des zweiten Bereichs (B) kleiner als 3µm und/oder kleiner als 1µm und/oder kleiner als 500nm und/oder kleiner als 200nm und/oder kleiner als 100nm und/oder kleiner als 50nm und/oder kleiner als 25nm und/oder kleiner als 10nm ist und - wobei der zweite Bereich (B) dazu geeignet und vorgesehen ist, bei Anlegen einer ausreichend hohen elektrischen Spannung Licht zu emittieren und - wobei das vom zweiten Bereich (B) emittierte Licht mit dem mikrooptischen Funktionselement (LWL2) zusammenwirkt.
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