DE19852543B4 - Verfahren zur Herstellung von Nanometer-Strukturen, insbesondere für Bauelemente der Nanoelektronik - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Nanometer-Strukturen, insbesondere für Bauelemente der Nanoelektronik Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Herstellung von Nanometer-Strukturen, insbesondere für Bauelemente der Nanoelektronik, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem Substrat (1) eine erste Dünnschicht (2) abgeschieden wird, deren Schichtdicke in der Größenordnung des Durchmessers von im Verfahren zum Einsatz gelangenden, zu Filamenten organisierten Biomolekülen (3) festgelegt wird, diese Dünnschicht (2) mit einem Puffer (5), der zu Filamenten organisierte Biomoleküle (3) beinhaltet, überschichtet wird, die Filamente durch Anlegen eines äußeren, parallel zur Ebene der Dünnschicht (2) angelegten Feldes in eine vorgebbare Ausrichtung gebracht und zur Adsorption mit der Dünnschicht (2) veranlaßt werden, anschließend das so mit ausgerichteten Filamenten versehene Substrat einem Waschvorgang ausgesetzt und einem Ätzschritt solange unterworfen wird, bis die von den Filamenten unbelegten Dünnschichtbereiche entfernt sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Nanometer-Strukturen, insbesondere für Bauelemente der Nanoelektronik, wobei definierte Nanometer-Strukturen mit einer gewünschten Orientierung auf einer Festkörperoberflächen gebildet werden.
  • Die Herstellung von Strukturen im unteren Nanometerbereich ist eine Herausforderung für die Mikrostrukturierung. Strukturbreiten von unter 50 nm werden nach dem bislang bekannten Stand der Technik fast ausschließlich durch Elektronenstrahllithographie hergestellt [Matsui, S. (1997), Fabrication using electron beam and its application of nanometer devices, Proceedings of the IEEE, Vol. 85, April 1997, 629–643]. Aufgrund des sequentiellen Arbeitens kommt es dabei gerade bei der Herstellung einer großen Anzahl von Elementen zu einem erheblichen zeitlichen Aufwand, der bei jedem weiteren Substrat erneut anfällt. An dieser Stelle setzt die Erfindung ein.
  • Aus der Schrift US 4,728,591 ist eine sich selbstorganisierende 2-dimensionale Belegung einer Substratoberfläche mit Proteinen bekannt, die als lithographische Masken verwendet werden können, um bspw. Arrays zu erzeugen.
  • Die Schrift WO 97/48837 A1 offenbart eine metallische Nanostruktur, bestehend aus einem metallisierten, selbstassemblierten, geometrisch hochgeordneten Protein, wobei das Protein eine Tubulin enthaltende Struktur, insbesondere ein Mukrotubuli ist und das Protein in die Keimbildungszentren des Metalles eingebettet sind.
  • Die Schrift DE 39 24 454 A1 offenbart die Anwendung von polymeren doppel- oder einzelsträngigen Nukleinsäuren, um elektronische Netzwerke (DNA-Chips) zu konstruieren und zu produzieren, indem diese, komplexiert mit Liganden, wie Metall-Ionen, Interkalatoren oder Proteine als elektrische Leiter verwendet werden.
  • Keine dieser Schriften sieht in den von ihnen offenbarten Verfahren den Einsatz gestreckter, definiert ausgerichteter Filamente vor.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit Hilfe dessen definierte Nanometer-Strukturen mit einer vorgebbaren Orientierung auf Festkörperoberflächen erzeugbar sind, wobei eine größere Anzahl derartiger Strukturen gleichzeitig hergestellt werden können.
  • Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der unter geordneten Ansprüche.
  • Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß zu Filamenten vorgebbarer Länge und wählbaren Durchmessers organisierte Biomoleküle in ausgerichteter Weise auf einer zu strukturierenden Dünnschicht zur Adsorption gebracht werden und in einem sich anschließenden Ätzprozeß die Dünnschicht mit Ausnahme der durch die Biomoleküle maskierten Bereiche abgetragen wird.
  • Es wurde gefunden, daß zu Filamenten oder anderen Strukturen, wie Ringen, Scheiben, Bälle, organisierte Biomoleküle, vorzugsweise Assemblate aus Proteinen, insbesondere Tubulin und organisierte Biomoleküle wie DNA oder RNA für den vorgesehenen Verwendungszweck geeignet sind, da sie überraschenderweise selbst bei aggressiven Ätzprozessen, wie Trockenätzverfahren, reaktiven Plasmaätzverfahren oder naßchemischen Ätzverfahren zwar ihre Struktur in nicht bestimmbarer Weise verändern, ihre maskierende Wirkung für die darunterliegenden Dünnschichtbereiche bei Einhaltung vorgebbarer Dickenrelationen von Dünnschicht zu Filamentdurchmesser jedoch beibehalten. Derart hergestellte Strukturen im Nanometerbereich sind insbesondere für Bauelemente in der Nanoelektronik einsetzbar. Mögliche Verwendungen derartiger Strukturen sind z.B. die Herstellung von Einzelelektronen-Tunnelkontakten, die Herstellung von Einzelelektronen-Tunneldioden etc.
    •
  • Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen:
  • 1a–d eine mögliche Abfolge von Verfahrensschritten zur Herstellung von Nanometer-Strukturen in seitlicher Ansicht und
  • 2 eine mögliche Elektrodenanordnung zur definierten Ausrichtung der zu Filamenten organisierten Biomoleküle in Draufsicht.
  • In den 1a bis 1d sind die wesentlichen Schritte des Herstellungsverfahrens beschrieben. Dabei wird zunächst auf ein Substrat 1, das im Beispiel aus einer Festkörperoberfläche aus SiO2 bestehen soll, wobei ein SiO2-Wafer oder ein mit einer SiO2-Beschichtung versehenes Si-Wafer zum Einsatz gelangen kann, eine dünne Schicht 2 aus einem elektrisch leitfähigen Material, im Beispiel eine Goldschicht, mittels physikalischer Beschichtungsverfahren abgeschieden (1a).
  • Die Dicke dieser Dünnschicht 2 wird in der Größenordnung des Durchmessers von zu Filamenten organisierten Biomolekülen festgelegt und kann bis zu 30 nm betragen. Ohne die Erfindung darauf zu beschränken, wird im Beispiel eine ca. 20 nm dicke Goldschicht mit einem biologischen Puffer 5 überschichtet, der aus 50 mmol Imidazol, 100 mmol NaCl, 0,5 mmol MgCl2, 0,1 mmol Dithiothreitol, 5 mg/ml Rinderserumalbumin und 10 μmol Taxol besteht und zu Filamenten organisierte Biomoleküle 3, hier in Form von Assemblaten aus Tubulin, enthält. Durch Anlegen eines äußeren Feldes, hier eines elektrischen Feldes in der Größenordnung von 5–25·103 V/cm werden die Mikrotubuli in vorgebbaren Richtungen ausgerichtet und adsorbieren auf der Goldschicht. Die im Beispiel zum Einsatz gelangenden Mikrotubuli weisen im trockenen Zustand einen Durchmesser von ca. 10–24 nm und eine Länge von ca. 50 μm auf. Bezüglich der gewünschten Durchmesser und Längen der zum Einsatz bringbaren Filamente 3 besteht eine hinreichende Auswahlmöglichkeit je nach den gewünschten Dünnschichtstrukturen 21 in der Dünnschicht 2. Dieser Verfahrensschritt ist in 1b dargestellt. Nach einem zwischengeschalteten Waschvorgang wird das so mit ausgerichteten Filamenten versehene Substrat 1 einem Ätzschritt unterworfen (vgl. 1c). Im Beispiel wurde, ebenfalls ohne die Erfindung darauf zu beschränken, ein Trockenätzverfahren gewählt. Dabei kommt ein HF-Sputterätzprozeß zum Einsatz, der die Goldschicht mit Raten von ca. 10 nm/min abträgt. Andere Ätzverfahren, die ebenfalls nur geringe thermische Belastungen der maskierenden Biomoleküle hervorrufen, liegen im Rahmen der Erfindung. Das Endergebnis, eine verbleibende Au-Schichtstruktur 21, die in ihren äußeren Bemaßungen im wesentlichen denen des maskierenden Tubulinassemblats entspricht, ist in 1d dargestellt.
  • In 2 ist in Draufsicht eine Elektrodenanordnung zur definierten Ausrichtung der zu Filamenten organisierten Biomoleküle beispielhaft schematisch angedeutet. In diesem Beispiel sind auf der Dünnschicht 2 Elektroden 4, ggf. unter Zwischenschaltung einer nicht dargestellten isolierenden Zwischenschicht aufgebracht, an die bei oben beschriebener Überschichtung des Substrats mit einem die Mikrotubuli enthaltenden Puffer eine elektrische Spannung zur definierten Ausrichtung zwischen den Elektroden befindlicher Mikrotubuli angelegt wird. Der weitere Verfahrensablauf entspricht dem des zu den 1a bis 1d beschriebenen.
  • In den 1a bis 1d und 2 ist die Herstellung von elektrisch leitenden Strukturen im Nanometer-Bereich beschrieben, welche z.B. als Einzelelektronen-Tunnelkontakte Verwendung finden können.
  • Es liegt ebenso im Rahmen der Erfindung, wenn statt oben beschriebener elektrisch leitfähiger Dünnschicht eine halbleitende oder eine elektrisch isolierende Dünnschicht 2 zum Einsatz gelangt, entsprechend der Verfahrensschritte nach den 1a bis 1d eine gleichermaßen ausgebildete Dünnschichtstruktur zu erzeugen, die jedoch nach dem ausgeführten Ätzschritt mit einer Maskierungsschicht versehen wird und daran anschließend eine Beschichtung mit einem Kontaktmaterial solange vorzunehmen, bis die Seitflanken oder Teilabschnitte der Dünnschichtstrukturen beidseitig im wesentlichen vom Kontaktmaterial erfaßt werden und anschließend die Maskierungsschicht und die auf dieser befindliche unbenötigte Kontaktschicht abzulösen, so daß durch die Dünnschichtstruktur mit den anliegenden Kontakten eine Tunnelbarriere gebildet wird, die z.B. für Einzelelektronen-Tunneldioden verwendet werden kann.

Claims (13)

  1. Verfahren zur Herstellung von Nanometer-Strukturen, insbesondere für Bauelemente der Nanoelektronik, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem Substrat (1) eine erste Dünnschicht (2) abgeschieden wird, deren Schichtdicke in der Größenordnung des Durchmessers von im Verfahren zum Einsatz gelangenden, zu Filamenten organisierten Biomolekülen (3) festgelegt wird, diese Dünnschicht (2) mit einem Puffer (5), der zu Filamenten organisierte Biomoleküle (3) beinhaltet, überschichtet wird, die Filamente durch Anlegen eines äußeren, parallel zur Ebene der Dünnschicht (2) angelegten Feldes in eine vorgebbare Ausrichtung gebracht und zur Adsorption mit der Dünnschicht (2) veranlaßt werden, anschließend das so mit ausgerichteten Filamenten versehene Substrat einem Waschvorgang ausgesetzt und einem Ätzschritt solange unterworfen wird, bis die von den Filamenten unbelegten Dünnschichtbereiche entfernt sind.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Filamente bildende Biomoleküle Assemblate aus Proteinen eingesetzt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Filamente bildende Biomoleküle Assemblate aus Tubulin eingesetzt werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die organisierten Biomoleküle DNA oder RNA eingesetzt werden.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für das Substrat (1) ein SiO2-Wafer oder ein mit einer SiO2-Beschichtung versehenes Si-Wafer eingesetzt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Dünnschicht (2) eine elektrisch leitfähige Dünnschicht eingesetzt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß für die Dünnschicht (2) eine durch physikalische Beschichtungsverfahren hergestellte Goldschicht eingesetzt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Goldschicht bis zu 30 nm festgelegt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Feld durch auf die Dünnschicht aufgebrachte Elektroden (4), an die während der Ausrichtung der organisierten Biomoleküle (3) eine elektrische Spannung angelegt wird, erzeugt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Dünnschicht (2) eine halbleitende oder elektrisch isolierende Dünnschicht eingesetzt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für den Ätzschritt insbesondere Trockenätzverfahren oder reaktive Plasmaätzverfahren eingesetzt werden.
  12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für den Ätzschritt ein naßchemisches Ätzverfahren eingesetzt wird.
  13. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 10 und 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die nach dem Ätzverfahren verbleibenden Dünnschichtstrukturen mit einer Maskierungsschicht versehen werden, daran anschließend eine Beschichtung mit einem Kontaktmaterial solange vorgenommen wird, bis die Seitflanken der Dünnschichtstrukturen beidseitig im wesentlichen vom Kontaktmaterial erfaßt werden und anschließend die Maskierungsschicht und die auf dieser befindliche Kontaktschicht abgehoben werden, so daß durch die Dünnschichtstruktur (21) eine Tunnelbarriere gebildet wird.
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