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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Strukturierung eines Diamant-Substrats, einen Diamant-Chip sowie eine Sensoreinrichtung.
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Stand der Technik
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Farbzentren, wie etwa die negativ geladenen Stickstoff-Fehlstellen-Zentren in einem Kristallkörper, insbesondere einem Diamantgitter, auch als NV-Zentren (NV steht hierbei für „Nitrogen Vacancy“) bezeichnet, können beispielsweise auf dem Gebiet der Sensorik angewandt werden. Durch Anregung derartiger NV-Zentren mit Licht und Mikrowellenstrahlung kann eine magnetfeldabhängige Fluoreszenz beobachtet werden. Diese Fluoreszenz wird mittels einer Sensoreinrichtung erfasst und ausgewertet. Als weiteres Beispiel derartiger Farbzentren sei auf Defektzentren in SiC, aber auch auf SiV in Diamant, verwiesen.
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Das negativ geladene NV-Zentrum in Diamant kann insbesondere zur hochempfindlichen Messung von Magnetfeldern, elektrischen Feldern, mechanischen Spannungen und Temperaturen genutzt werden. Derartige Quantentechnologien bieten gegenüber klassischen Sensorprinzipien entscheidende Vorteile, die das disruptive Potential der Quantentechnologie unterstreichen. Bei den NV Zentren bestehen konkret folgende Vorteile: (i) ultrahohe Empfindlichkeiten, (ii) Vektormagnetometrie (Richtungsbestimmung des Magnetfelds), (iii) hoher dynamischer Messbereich (> 1 Tesla), (iv) Linearität (Zeeman-Effekt), (v) keine Degradation, da die Messung auf quantenmechanischen Zuständen beruht. Um einen auf NV Zentren basierten Sensor auszulesen, wird die magnetische Resonanz des Spin-Triplets des Grundzustands optisch detektiert (ODMR, optically detected magnetic resonance). Gegenüber dem anregenden Licht rot-verschobenes Fluoreszenzlicht zeigt dabei einen charakteristischen Dip bei der energetischen Lage der Elektronenspinresonanz. Die Lage ist auf Grund des Zeeman-Effekts linear abhängig vom magnetischen Feld. Damit lässt sich ein hochempfindlicher Magnetfeldsensor konstruieren.
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NV-Zentren in Diamant besitzen eine derart hohe Magnetfeldempfindlichkeit, dass dies dazu genutzt werden kann um vielfältige bestehende Produkte zu verbessern (z.B. Suchgeräte für elektrische Leitungen in Wänden oder Strommessung von Fahrzeugbatterien) oder auch um neue Produkte zu realisieren, wie zum Beispiel eine kontaktlose Mensch-Maschine-Schnittstelle, die Ströme bzw. Steuersignale aus dem Gehirn nachweist und auswertet.
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Als besonders vorteilhaft hat sich die Messung von Magnetfeldern über eine kombinierte Anregung derartiger Farbzentren mit Licht und Mikrowellen erwiesen. Insbesondere die hier eingesetzte Anregung mit Licht führt allerdings zu relativ komplexen und groß bauenden Sensoreinrichtungen.
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Die
DE 37 42 878 A1 beschreibt beispielsweise einen optischen Magnetfeldsensor, in dem ein Kristall als magnetempfindliches optisches Bauteil verwendet wird. Da nur ein Teil des Anregungslichtes an den Farbzentren absorbiert wird, sind die Effizienz derartiger Sensoreinrichtungen und damit ihre Genauigkeit nicht optimal.
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Man kann den Leistungsbedarf dadurch reduzieren, dass die Leistung effizienter genutzt wird, d.h. indem das Anregungslicht in effektiverer Weise dazu genutzt wird, um Farbzentren im Kristallkörper optisch anzuregen.
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Um die Ausbeute des Anregungslichtes zu erhöhen, ist es möglich, Totalreflexionseffekte auszunutzen und damit die Absorption im Kristallkörper zu erhöhen. Die Totalreflexion führt dazu, dass der optische Pfad des Anregungslichts im Diamant verlängert wird. Dadurch wird der Anteil der absorbierten Lichtleistung erhöht. Hierdurch können empfindliche und energieeffiziente Sensoren bereitgestellt werden. Dies ermöglicht auch die Bereitstellung kleinerer Sensoren. Hierzu werden jedoch glatte und gerade Schnittkanten der Kristallkörpers benötigt, die nur sehr kostenintensiv durch aufwendige Säge- und Schleifverfahren hergestellt werden können, wobei diese Verfahren in der Regel nicht skalierbar sind.
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Der unter www.nature.com/scientificreports veröffentlichte Artikel „Anisotropic diamond etching through thermochemical reaction between Ni and diamond in high-temperature water vapour" (Scientific Reports (2018) 8: 6687) offenbart ein Ätzverfahren für Diamant, bei dem ein Ni-Film auf eine 100-Oberfläche eines Diamantsubstrats aufgebracht wird, dieses Diamantsubstrat in einen Reaktor eingebracht wird, in dem das Diamantsubstrat aufgeheizt wird und unter Zugabe von Wasserdampf eine Ätzung des Diamantsubstrats erfolgt.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Miniaturisierung der oben genannten Sensoreinrichtungen und eine Verbesserung der Energieeffizienz. Eine weitere Aufgabe ist eine leichtere Herstellbarkeit und Skalierbarkeit von Kristallkörpern für derartige Sensoreinrichtungen.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden ein Verfahren, ein Diamantsubstrat sowie eine Sensoreinrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Vorteile der Erfindung
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Nach einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Strukturierung eines Diamantsubstrats mit NV-Zentren für eine Sensoreinrichtung vorgeschlagen, das die folgenden Schritte umfasst:
- - Bereitstellung eines Diamantsubstrats mit einer 100-Oberfläche;
- - Strukturierte Aufbringung eines Nickel-Films (Ni-Films) auf die 100-Oberfläche des Diamantsubstrats zur Bereitstellung von mit Nickelfilm versehenen Abschnitten und nicht mit Nickelfilm versehenen Abschnitten auf der 100-Oberfläche
- - Einbringen des mit Nickelfilmabschnitten versehenen Diamantsubstrats in einem Reaktor, in dem das Diamantsubstrat aufgeheizt wird und unter Zugabe von Wasserdampf eine Ätzung des Diamantsubstrats mittels Wechselwirkung mit den jeweiligen Nickelfilmabschnitten unter Bildung von wenigstens einer 111-Oberfläche durch jeden Nickelfilmabschnitt erfolgt;
- - Beendigung des Ätzprozesses.
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Nur Oberflächen, an denen zwei ungesättigte Kohlenstoffverbindungen vorliegen, sog. Dangling Bonds, erlauben die Diffusion von oberflächennahen C-Atomen in das Nickel. Dies ist z.B. bei 100-Oberflächen der Fall. Bei dem beschriebenen Ätzprozess diffundiert in gewissen Temperaturbereichen Kohlenstoff in den Ni-Film. Durch die Zugabe von Wasserdampf oxidiert die Ni-Oberfläche und es entsteht eine katalytisch wirkende NiO-Schicht, die die Reaktion von Kohlenstoff mit dem H2O der Atmosphäre zu CO und CO2 begünstigt. Durch diese Reaktion entsteht ein konstanter Kohlenstoffgradient im Ni-Film, der die weitere Diffusion von Kohlenstoff aus dem Diamanten in das Nickel vorantreibt. Die Diffusion von Kohlenstoff in den Ni-Film ist abhängig von der kristallographischen Orientierung. 111-Oberflächen mit nur einem Dangling-Bond werden nicht geätzt. Dieser Umstand ermöglicht die Bildung atomar glatter 111-Oberflächen entlang der Ätzkanten. Durch das Ätzen entsteht ausgehend von den Kanten der Ni-Filmabschnitte eine Ätzfacette, die mit 54,7° zur Substratebene abgeschrägt ist. Diese Ätzfacette eignet sich besonders zur Einkopplung von Anregungslicht, wenn die strukturierten Diamant-Substrate als Kristallkörper für eine Sensoranwendung verwendet werden. Der Ätzprozess ist skalierbar. D.h., durch geschickte Strukturierung des Ni-Films lassen sich gleichzeitig ganz viele Diamant-Substrate aus einem größeren Diamant-Substrat herstellen.
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Bevorzugt wird der Ni-Film über Sputterdeposition oder Elektronenstrahlverdampfen aufgebracht. Bei der Sputterdeposition werden in der Regel ArgonIonen mit einer Spannungsquelle unter Vakuum auf ein Nickel-Target beschleunigt. Dadurch werden Nickelatome aus dem Nickel-Target herausgeschlagen und lagern sich auf dem Diamantsubstrat ab. Die Sputterdeposition ist ein Standard-Beschichtungsverfahren, das eine sehr hohe Materialhaftung ermöglicht.
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Bei der Elektronenstrahlverdampfung wird Nickel in einer Vakuumkammer durch einen Elektronenstrahl verdampft und lagert sich auf einem Diamantsubstrat ab. Der Vorteil der Elektronenstrahlverdampfung ist, dass sich dabei sehr hohe Energiedichten erzielen lassen.
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Eine Ni-Filmdicke beträgt vorzugsweise zwischen 50 nm und 500 nm, noch bevorzugter 200 nm. Bei Diamantsubstratdicken von üblicherweise kleiner als 300 µm genügt eine solche Ni-Filmdicke, um bei der Diffusion von Kohlenstoff in den Nickelfilm eine katalytisch wirkende NiO-Schicht aufrechtzuerhalten, bis die Ätztiefe der Substratdicke entspricht.
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Es ist denkbar, dass die Strukturierung über Schattenmaskendeposition oder Fotolithographie erfolgt. Die Schattenmaskendeposition stellt dabei ein vergleichsweise neues Verfahren dar. Bei der Fotolithographie wird mittels Belichtung das Bild einer Fotomaske auf einen lichtempfindlichen Fotolack übertragen. Dabei dient ein fotolithografisch definierter Photoresistfilm entweder als Maske für einen nasschemischen Ätzangriff oder als Lift-Off-Film, bei dem der Fotoresistfilm samt Ni-Film durch Lösungsmittel entfernt wird. Durch das Belichtungsverfahren können vorteilhaft sehr feine und genaue Filmabschnitte bis in den Nanometer-Bereich erzeugt werden.
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Insbesondere wird der Diamant in dem Reaktor auf 800-1000°C aufgeheizt. Bei etwa 900°C ergeben sich die besten Ätzeigenschaften.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Strukturierung derart durchgeführt wird, dass im Ni-Film Aussparungen entstehen, deren Kantenlängen einer gewünschten Diamant- Chip-Größe für einen Sensoreinrichtung entsprechen. Auf diese Weise können skaliert Diamantchips für Sensoreinrichtungen wie Magnetfeldsensoren in großer Stückzahl erzeugt werden.
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Bevorzugt wird der Ätzprozess so lange durchgeführt, bis eine Ätztiefe einer Substratdicken entspricht. Dies ist vorteilhaft, da auf diese Weise keine Nachbearbeitung mehr erforderlich ist.
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Insbesondere wird ein verbleibender Ni-Film nach Beendigung des Ätzprozesses entfernt. Dies ist vorteilhaft, da der Ni-Film auf diese Weise ohne optische Beeinträchtigung für einen Magnetfeldsensor verwendet werden kann. Ein bevorzugtes Verfahren zur Entfernung des Ni-Films ist eine nasschemische Entfernung durch H2SO4/HNO3 in einem Verhältnis 3:1.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Diamant-Chip vorgeschlagen, welcher nach einem Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche strukturiert ist und NV-Zentren aufweist. Ein solcher Diamant-Chip eignet sich besonders vorteilhaft für eine Sensoreinrichtung wie einen Magnetfeldsensor, da er aufgrund des Herstellungsverfahrens sehr glatte Kanten aufweist, die zur Ausnutzung der Totalreflexion geeignet sind. Zusätzlich weist ein solcher Diamant-Chip eine Ätzfacette im Winkel von 54,7° zur Substratoberfläche auf, die sich besonders vorteilhaft dafür eignet, Licht derart in den Diamant-Chip einzukoppeln, dass es an einer Unterseite und einer Oberseite des Diamant-Chips mit einem Winkel größer dem Winkel für Totalreflexion reflektiert wird. Auf diese Weise kann die freie Weglänge im Diamant-Chip maximiert werden.
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Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Sensoreinrichtung vorgeschlagen, die folgendes aufweist: einen Diamant-Chip mit einer Anzahl von NV-Zentren gemäß dem vorherigen Aspekt der Erfindung, eine Lichtquelle zum Bestrahlen des Diamant-Chips mit Anregungslicht, eine Hochfrequenzeinrichtung zum Bestrahlen des Diamant-Chips mit Mikrowellen, und einen oder mehrere Photodetektoren, die eingerichtet sind zum Detektieren von Fluoreszenzlicht, welches aufgrund der Bestrahlung des Diamant-Chips durch das Licht und die Mikrowellen erzeugt wird.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
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Figurenliste
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- 1 bis 7 zeigen in schematischen seitlichen Ansichten ein Diamantsubstrat jeweils nach der Ausführung einzelner Verfahrensschritte einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
- 8 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung in einer schematisch vereinfachten Darstellung.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
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Eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Strukturierung eines Diamantsubstrats mit NV-Zentren für eine Sensoreinrichtung wird anhand der 1 bis 7 erläutert.
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In einem ersten Schritt wird ein Diamantsubstrat 1 mit einer 100-Oberfläche 10 bereitgestellt. Das Diamantsubstrat weist in 1 eine konstanten Dicke und eine glatte 100-Oberfläche 10 auf.
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Auf dieses Diamantsubstrat 1 wird in einem zweiten Schritt ein fotolithografisch definierter Photoresistfilm 2 als Lift-Off-Film aufgebracht. 2 zeigt das Diamantsubstrat 1 nach Aufbringung des fotolithografisch definierten Photoresistfilms 2.
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In einem nächsten Schritt wird ein Ni-Film mit Ni-Filmabschnitten 3a, 3b, 3c auf die 100-Oberfläche des Diamantsubstrats 10 und auf den Photoresistfilm 2 aufgebracht. 3 zeigt das Diamantsubstrat 1 nach Aufbringung des Ni-Films mit Ni-Filmabschnitten 3a, 3b, 3c auf die 100-Oberfläche des Diamantsubstrats 10 und auf den Photoresistfilm 2.
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Anschließend wird der Photoresistfilm 2 zusammen mit dem Ni-Filmabschnitt 3b durch Lösungsmittel entfernt. 4 zeigt den Vorgang der Entfernung des Photoresistfilms 2 samt Ni-Filmabschnitt 3b durch Lösungsmittel. Zwischen den Ni-Filmabschnitten 3a, 3c entsteht somit ein nicht mit Ni versehener Abschnitt auf der Substratoberfläche.
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In einem weiteren Schritt wird das so erhaltene mit Ni-Filmabschnitten versehene Diamantsubstrat 1 in einen Reaktor eingebracht, in dem das Diamantsubstrat 1 aufgeheizt wird und unter Zugabe von Wasserdampf eine Ätzung des Diamantsubstrats 1 durch Wechselwirkung des Diamantsubstrats mit den Ni-Filmabschnitten 3a, 3c unter Bildung von wenigstens einer 111-Oberfläche 11 durch jeden Ni-Filmabschnitt erfolgt.
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5 zeigt das Diamantsubstrat 1 während der Ätzung im Reaktor. Zu sehen ist, dass die Ni-Filmabschnitte 3a, 3c in das Diamantsubstrat eingesunken sind, wodurch zwei schräge 111-Oberflächen 11 für jede Ni-Struktur entstehen. Diese 111-Oberflächen 11 weisen jeweils einen Winkel von 54,7° zu der 100-Oberfläche 10 auf.
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Schließlich wird der Ätzprozess beendet. 6 zeigt nach Beendigung des Ätzvorgangs einen fertigen Diamant-Chip 1a mit zwei glatten 111-Oberflächen 11 und einer glatten 100-Oberfläche 10. Ferner entstehen hierbei zwei seitliche Substrate, die jeweils 1 glatte 100-Oberfläche und 1 glatte 111-Oberfläche aufweisen.
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7 zeigt noch einmal den fertigen Diamant-Chip 1a.
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8 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung 50 in schematisch vereinfachter Darstellung, die folgendes aufweist: einen Diamant-Chip 1a mit einer Anzahl von NV-Zentren, eine Lichtquelle 8 zum Bestrahlen des Diamant-Chips 1a mit Anregungslicht 20, eine Hochfrequenzeinrichtung 7 zum Bestrahlen des Diamant-Chips 1a mit Mikrowellen und einen oder mehrere Photodetektoren 9, die eingerichtet sind zum Detektieren von Fluoreszenzlicht, welches aufgrund der Bestrahlung des Diamant-Chips 1a durch das Anregungslicht 20 und die Mikrowellen erzeugt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „Anisotropic diamond etching through thermochemical reaction between Ni and diamond in high-temperature water vapour“ (Scientific Reports (2018) 8: 6687 [0009]
