EP1955364A1 - Method for producing a plurality of regularly arranged nanoconnections on a substrate - Google Patents

Method for producing a plurality of regularly arranged nanoconnections on a substrate

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Publication number
EP1955364A1
EP1955364A1 EP06818095A EP06818095A EP1955364A1 EP 1955364 A1 EP1955364 A1 EP 1955364A1 EP 06818095 A EP06818095 A EP 06818095A EP 06818095 A EP06818095 A EP 06818095A EP 1955364 A1 EP1955364 A1 EP 1955364A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
masking
substrate
masking layer
strip
nanoconnections
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP06818095A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Rainer Adelung
Seid Jebril
Mady Elbahri
Stefan Rehders
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Christian Albrechts Universitaet Kiel
Original Assignee
Christian Albrechts Universitaet Kiel
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Christian Albrechts Universitaet Kiel filed Critical Christian Albrechts Universitaet Kiel
Publication of EP1955364A1 publication Critical patent/EP1955364A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y10/00—Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/027—Making masks on semiconductor bodies for further photolithographic processing not provided for in group H01L21/18 or H01L21/34
    • H01L21/0271—Making masks on semiconductor bodies for further photolithographic processing not provided for in group H01L21/18 or H01L21/34 comprising organic layers
    • H01L21/0272—Making masks on semiconductor bodies for further photolithographic processing not provided for in group H01L21/18 or H01L21/34 comprising organic layers for lift-off processes

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a plurality of regularly arranged nano-compounds on a substrate.
  • the invention relates to the production of a regular arrangement of conductive nanowires, which also connect conductive, but otherwise not contacted, surfaces.
  • the invention thus relates to devices which measure the electrical conductivity of nano-compounds as a function of
  • Nanowires typically have lengths of several microns with diameters in the nanometer range. Such wires are in obvious demand for further miniaturization of integrated circuits, but also show novel properties due to the onset of quantum effects. They also offer the possibility of producing highly sensitive sensors, catalytically active surfaces or optically transparent electrical conductors. Nanowires can have gaps at the atomic scale, so-called nanogaps. The incorporation of chemicals or the closing of the nanogaps by expansion of the metal (for example due to temperature change or hydrogen uptake) leads directly to a change in conductivity.
  • the substrate surface is subjected to a standing compression wave along the surface, so that moving atoms on the substrate preferentially to the node regions of the wave, where they form the nanowires.
  • nanowires according to DE 198 52 585 A1 can be formed on layer crystal surfaces.
  • Evaporated atoms, e.g. Rubidium move on the layer crystal surface until they encounter an inherent edge. They move along the edge and self-assemble into a nanowire or netting of nanowires.
  • a nanowire network with a mesh size in the micrometer range is formed within a few minutes.
  • the aforementioned methods have the disadvantages that they either are not applicable to technically relevant substrates or require considerable effort for the structural specifications on any substrates, so that a cost-effective implementation in mass production, especially of sensors, is hardly to be expected.
  • the article by Adelung et al. Nature Materials, Vol. 3, June 2004, p. 375-379 describes a relatively simple way of bringing a nanostructure, in particular a nanowire, onto a substrate, which follows a microscopic pre-structuring.
  • the substrate is first wet-chemically coated or by vapor deposition, for example with a brittle oxide film or a polymer, and in
  • Connection targeted cracks are generated in this layer, which extend to the substrate.
  • metal atoms are finally deposited on the substrate with the cracked film, whereby wire-shaped metal accumulations can form directly on the substrate only in the region of the cracks
  • more complex nanowire networks can be produced, eg a rectangular grid.
  • Cracking is always thermal or mechanical stress that acts on the masking layer.
  • a way is shown of producing a single nanowire as an electrical connection of two large area metallized surfaces.
  • the invention utilizes the known effect that a strapped strip of elastic material under the action of compression in the plane of the strip tends to form regular buckling patterns.
  • This effect results from self-organization on an otherwise uniformly formed strip, in particular with a homogeneous thickness, without further measures for structural specification (see in this respect Audoly et al., "Secondary buckling patterns of a thin plate under in-plane compression", Eur. Phys B 27, 7-10 (2002)).
  • said effect is transferred to the masking layer in order to generate self-organized regular crack patterns. Since the nano-compounds are to be produced between two surfaces covered with nanowire material over a large area, these surfaces will be produced simultaneously with the nano-compounds, as already described in the prior art.
  • the substrate in particular a
  • Silicon wafer first provided with a masking layer, which is then removed in the areas of the two said surfaces. Between the exposed areas, a narrow strip (a few micrometers wide, several tens of micrometers long) with a masking layer is maintained, over the width of which the nano-compounds are to be formed.
  • thermal stress which acts on the substrate at least in the region of the remaining masking strip.
  • a likewise regular crack structure is produced in the masking strip in analogy to the regular material curvature described above. This results in several similar cracks, which are arranged on the strip next to each other and thereby traverse the entire width of the strip.
  • the generated crack pattern is periodically formed along the length of the strip.
  • the aspect ratio (length: width) of the mask strip must be significantly greater than one to perform the method.
  • Fig. 2 electron micrographs at different magnification levels of a masking strip with regular cracks generated by the
  • Fig. 3 shows two examples of crack patterns that can be generated by varying the dimensions of the masking layer.
  • Fig. 1 a is a substrate 10, preferably a silicon wafer, covered with an electrical insulation layer 12 (eg, here SiO 2 ) shown on which a microstructured masking layer 14 has already been formed.
  • the masking layer will preferably be a light-sensitive lacquer which is treated photolithographically in a manner known per se and removed at predetermined locations. The remaining masking is characterized by a strip which separates two areas of the substrate or insulating layer surface exposed over a large area from one another.
  • Fig. 1 b shows a tear across the strip, exposing the substrate under the strip in a small width. It is not uncommon for the masking material to be somewhat delaminated (delaminated) from the substrate in the area of the crack. In fact, this delamination 16 is even very advantageous and should be particularly favored, for example by providing sufficiently thick mask layers which tend to form internal tensions.
  • the selection and / or admixture of polymers with a high thermal expansion coefficient as well as to the masking material is an advantageous embodiment of the invention.
  • the result of the deposition of material 18 is preferably applied noble metals) on the structure of Fig. 1 b) to see. If the mask with the material deposited thereon is removed, the exposed nanowire remains on the substrate and is provided with large area contacts at both ends (FIG. 1 d)).
  • FIG. 2 shows electron micrographs of a masking strip torn according to the method described here in 4 magnification steps.
  • FIG. 2 shows electron micrographs of a masking strip torn according to the method described here in 4 magnification steps.
  • FIG. 2 The periodic repetition of a basic pattern running along the strip is clearly visible.
  • the basic pattern includes a long tear across the strip at an angle of about 45 ° to the strip edge and a small crack split each near the strip edge, which is clearly visible in the two largest magnification steps.
  • the said basic pattern can be varied according to the invention by controlling the dimensions of the masking strip.
  • Fig. 3 c) shows the basic patterns which are set at different width strips (taken from SEM photographs, which are shown as Fig. 3 a) and b) are shown).
  • the crack density can be adjusted, i. So the number of nano compounds per
  • Length unit of the masking strip Length unit of the masking strip.
  • the total length of all nano-compounds by the method according to the invention not only easy to measure, but even specifically adjustable.
  • the exposed areas of the substrate after development are the simplest
  • the formed mask structure together with the substrate is then heated for 30 minutes on a hotplate to 90 ° C.
  • the photoresist is exposed to a cold gas flow for approx. 3 min. This is done in the vapor of liquid nitrogen emerging from a hole in a vessel filled with liquid nitrogen.
  • the samples then warm to room temperature again. This process leads to thermal stresses that result in cracking and delamination in the photoresist.
  • the result is a zig-zag, periodic crack pattern that connects the two channels.
  • the diameter of the cracks is on the nanoscale and can be changed by further treatment steps such as heating.
  • the 20 cracks are distributed uniformly over the 200 ⁇ m channel width and therefore have a spacing of approximately 20 ⁇ m between them (compare FIG. Its length is about 14.2 microns.
  • Subsequent metallization e.g. by evaporation of chromium as
  • Adhesive and subsequent Sputterdeposition with precious metal fills the square surfaces, the channels and cracks with metal.
  • the photoresist is removed by exposure to acetone for a few minutes.
  • Subsequent dipping of the structures in an acetone-filled ultrasonic bath for 1-2 sec removes excess metal and completes the process. All nanowires produced in this way have diameters of 50 to 100 nm.

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Abstract

The invention relates to a method for producing a plurality of regularly arranged nanoconnections on a substrate using an elastic masking layer forming fissures. Said method comprises the following steps: the masking layer is microstructured in order to produce at least one defined region provided with a masking over which the nanoconnections are to extend; fissures are produced in the masking layer; the material forming the nanoconnections is applied at least to the structures of the masking layer in the fissures and to the non-masked regions of the substrate; the masking layer with the material applied thereto is removed, and the defined region is covered with an essentially rectangular masking strip, over the width of which the nanoconnections are to extend, the length of the strip being longer than the width; and a self-organised regular fissure pattern comprising a plurality of fissure lines is produced by inducing stress in the masking strip, such that a plurality of regularly arranged nanoconnections is formed over the at least one defined region.

Description

Verfahren zur Erzeugung einer Mehrzahl regelmäßig angeordneter Nanoverbindungen auf einem SubstratMethod for producing a plurality of regularly arranged nano-compounds on a substrate
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer Mehrzahl regelmäßig angeordneter Nanoverbindungen auf einem Substrat. Die Erfindung betrifft insbesondere die Herstellung einer regelmäßigen Anordnung leitender Nanodrähte, welche ebenfalls leitende, aber ansonsten nicht miteinander kontaktierte, Flächen verbinden. Die Erfindung betrifft somit Vorrichtungen, die die Messung der elektrischen Leitfähigkeit von Nanoverbindungen in Abhängigkeit vonThe invention relates to a method for producing a plurality of regularly arranged nano-compounds on a substrate. In particular, the invention relates to the production of a regular arrangement of conductive nanowires, which also connect conductive, but otherwise not contacted, surfaces. The invention thus relates to devices which measure the electrical conductivity of nano-compounds as a function of
Umgebungsparametern erlauben, insbesondere solche, die als Sensoren einsetzbar sind.Allow environmental parameters, especially those that can be used as sensors.
Nanodrähte (auch: Quantendrähte) weisen typisch Längen von etlichen Mikrometern bei Durchmessern im Nanometerbereich auf. Solche Drähte sind nahe liegend gefragt zur weiteren Miniaturisierung integrierter Schaltungen, zeigen aber aufgrund einsetzender Quanteneffekte auch neuartige Eigenschaften. Sie bieten zudem die Möglichkeit, hochempfindliche Sensoren, katalytisch wirksame Oberflächen oder optisch transparente elektrische Leiter herzustellen. Nanodrähte können Lücken im atomaren Maßstab aufweisen, sogenannte Nanogaps. Der Einbau von Chemikalien beziehungsweise das Schließen der Nanogaps durch Ausdehnung des Metalles (z.B. infolge Temperaturänderung oder Wasserstoffaufnahme) führt direkt auf eine Leitfähigkeitsänderung.Nanowires (also: quantum wires) typically have lengths of several microns with diameters in the nanometer range. Such wires are in obvious demand for further miniaturization of integrated circuits, but also show novel properties due to the onset of quantum effects. They also offer the possibility of producing highly sensitive sensors, catalytically active surfaces or optically transparent electrical conductors. Nanowires can have gaps at the atomic scale, so-called nanogaps. The incorporation of chemicals or the closing of the nanogaps by expansion of the metal (for example due to temperature change or hydrogen uptake) leads directly to a change in conductivity.
Die Fähigkeit, Nanodrähte auf speziellen oder sogar beliebigen Substraten zu erzeugen und gezielt anzuordnen ist daher ein aktuelles Forschungsthema. Typische Verfahren, die bisher zur Anwendung kommen, zeichnen sich durch extrem hohe Kosten aus oder sind sehr langsam, da sie seriell strukturieren, wie z.B. Elektronenstrahl- oder Photolithographie.The ability to create and arrange nanowires on special or even arbitrary substrates is therefore a current research topic. Typical methods that have been used heretofore are extremely expensive or very slow in that they serially structure, e.g. Electron beam or photolithography.
Das Anordnen oder Ausrichten von Nanodrähten auf einem Substrat ist äußerst schwierig, da kaum geeignete Werkzeuge zur gezielten Manipulation von Nanoteilchen zur Verfügung stehen. Übliche Verfahren zur Mikrostrukturierung wie z.B. Fotolithografie scheitern bei Quantendrähten daran, dass die benötigten Strukturabmessungen deutlich kleiner als der Strahldurchmesser sind und das Licht nicht ohne weiteres fokussiert werden kann. Viele Verfahren zielen daher auf dieArranging or aligning nanowires on a substrate is extremely difficult, since there are few suitable tools available for the targeted manipulation of nanoparticles. Common methods of microstructuring such as e.g. For quantum wires, photolithography fails because the required structural dimensions are significantly smaller than the beam diameter and the light can not be focused easily. Many procedures are therefore aimed at the
Selbstorganisation von Metallatomen oder -Clustern auf dem Substrat ab, bei der sich die Drähte von selbst bilden. Dies ist allerdings meist nur unter sehr speziellen Bedingungen zu erreichen. Zur Herstellung paralleler Drähte lehrt die US 2003/0008505 Al, dass die Nanodrähte einer gewünschten kristallinen Zusammensetzung auf einem speziellen kristallinen Substrat zu bilden sind. Nanodraht und Substrat sollen entlang einer Richtung auf der Substratoberfläche eine möglichst gute Übereinstimmung der Gitterkonstanten aufweisen, während der „lattice mismatch" entlang aller anderen Richtungen sehr groß sein soll. Die Nanodrähte bilden sich dann selbstorganisiert beim epitaktischen Wachstum.Self-assembly of metal atoms or clusters on the substrate where the wires self-assemble. However, this is usually only possible under very specific conditions. For producing parallel wires, US 2003/0008505 A1 teaches that the nanowires of a desired crystalline composition are to be formed on a particular crystalline substrate. The nanowire and the substrate should have as close a lattice constant as possible along one direction on the substrate surface, while the lattice mismatch should be very large along all other directions, and the nanowires then self-assemble during epitaxial growth.
Es ist aus der CA 2 322 254 auch bekannt, Nanodrähte magnetisch zu beschichten und in einer flüssigen Mixtur auf das Substrat zu bringen, um sie dort im Feld auszurichten. Anschließendes Aushärten der Mixtur erzeugt einen Film mit parallelen Drähten auf dem Substrat.It is also known from CA 2 322 254 to magnetically coat nanowires and to apply them in a liquid mixture to the substrate in order to align them in the field. Subsequent curing of the mixture creates a film of parallel wires on the substrate.
Die Vorgabe von Strukturen direkt auf einem weitgehend beliebigen Substrat, in denen sich Nanodrähte durch Selbstzusammensetzung bilden sollen, wurde in der DE 100 19The specification of structures directly on a largely arbitrary substrate, in which nanowires are to be formed by self-assembly, has been described in DE 100 19
712 Al vorgeschlagen. Dazu wird die Substratoberfläche mit einer stehenden Kompressionswelle entlang der Oberfläche beaufschlagt, so dass auf dem Substrat bewegliche Atome bevorzugt den Knotenregionen der Welle zustreben, wo sie die Nanodrähte bilden.712 Al proposed. For this purpose, the substrate surface is subjected to a standing compression wave along the surface, so that moving atoms on the substrate preferentially to the node regions of the wave, where they form the nanowires.
Die DE 42 18 650 Al schlägt indes vor, auf einem maskierten Substrat in den Maskenaussparungen Halbleiterstege epitaktisch aufwachsen zu lassen. Entlang der Kanten, die diese mit dem Substrat bzw. mit der Maske bilden, sollen die Nanodrähte entstehen. Grundgedanke ist hier, ein Nanodrahtnetzwerk entlang der Vorgaben konventioneller Maskierungsverfahren zu bilden.DE 42 18 650 Al, however, proposes epitaxially growing semiconductor bridges on a masked substrate in the mask recesses. Along the edges that form this with the substrate or with the mask, the nanowires are to arise. The basic idea here is to form a nanowire network along the specifications of conventional masking methods.
Ganz ohne Vorbehandlung des Substrats können Nanodrähte nach der DE 198 52 585 Al auf Schichtkristalloberflächen entstehen. Aufgedampfte Atome, z.B. Rubidium, bewegen sich auf der Schichtkristalloberfläche bis sie auf eine von Natur aus vorhandene Kante treffen. Sie bewegen sich entlang der Kante und fügen sich zu einem Nanodraht oder einem Geflecht aus Nanodrähten von selbst zusammen. Ein Nanodrahtnetzwerk mit Maschenweite im Mikrometerbereich bildet sich in wenigen Minuten.Without pretreatment of the substrate, nanowires according to DE 198 52 585 A1 can be formed on layer crystal surfaces. Evaporated atoms, e.g. Rubidium, move on the layer crystal surface until they encounter an inherent edge. They move along the edge and self-assemble into a nanowire or netting of nanowires. A nanowire network with a mesh size in the micrometer range is formed within a few minutes.
Die zuvor genannten Verfahren besitzen die Nachteile, dass sie entweder nicht auf technisch relevanten Substraten anwendbar sind oder erheblichen Aufwand für die Strukturvorgaben auf beliebigen Substraten erfordern, so dass eine kostengünstige Umsetzung in der Massenfertigung, insbesondere von Sensoren, kaum zu erwarten ist. Der Artikel von Adelung et al. nature Materials, Vol. 3, June 2004, S. 375-379 beschreibt einen relativ einfachen Weg, eine Nanostruktur, insbesondere einen Nanodraht, auf ein Substrat zu bringen, wobei dieser einer mikroskopischen Vorstrukturierung folgt. Dazu wird das Substrat zunächst nasschemisch oder durch Aufdampfen beschichtet, z.B. mit einem spröden Oxidfilm oder einem Polymer, und imThe aforementioned methods have the disadvantages that they either are not applicable to technically relevant substrates or require considerable effort for the structural specifications on any substrates, so that a cost-effective implementation in mass production, especially of sensors, is hardly to be expected. The article by Adelung et al. Nature Materials, Vol. 3, June 2004, p. 375-379 describes a relatively simple way of bringing a nanostructure, in particular a nanowire, onto a substrate, which follows a microscopic pre-structuring. For this purpose, the substrate is first wet-chemically coated or by vapor deposition, for example with a brittle oxide film or a polymer, and in
Anschluss werden gezielt Risse in dieser Schicht erzeugt, die bis auf das Substrat reichen. Zum Beispiel mittels Dampf Abscheidung („Vapour Deposition") werden schließlich z.B. Metallatome auf das Substrat mit dem gerissenen Film gebracht, wobei sich nur im Bereich der Risse drahtförmige Metallansammlungen direkt auf dem Substrat ausbilden können. Gegebenenfalls kann der Film entfernt werden, so dass nur diese Nanodrähte zurück bleiben. Je nach vorgezeichneter Rissstruktur lassen sich so auch komplexere Nanodrahtnetzwerke herstellen, z.B. ein Rechteckgitternetz.Connection targeted cracks are generated in this layer, which extend to the substrate. For example, by means of vapor deposition ("vapor deposition"), metal atoms are finally deposited on the substrate with the cracked film, whereby wire-shaped metal accumulations can form directly on the substrate only in the region of the cracks Depending on the predefined crack structure, more complex nanowire networks can be produced, eg a rectangular grid.
Die Arbeit von Adelung et al. macht verschiedene Vorschläge, wie sich bestimmte Rissmuster in dem Film (i. F. Maskierungsschicht) erzeugen lassen. Auslöser derThe work of Adelung et al. makes various suggestions on how to create certain crack patterns in the film (i.e., masking layer). Trigger the
Rissbildung ist dabei stets thermischer oder mechanischer Stress, der auf die Maskierungsschicht einwirkt. Für die Vorbestimmung der Rissverläufe wird empfohlen, mechanische Schwächezonen in der Maskierungsschicht vorzusehen, die mit Hilfe von Mikrostrukturierungstechniken zu erzeugen sind. Insbesondere wird ein Weg aufgezeigt, einen einzelnen Nanodraht als elektrische Verbindung zweier großflächig metallisierter Flächen herzustellen.Cracking is always thermal or mechanical stress that acts on the masking layer. For the prediction of the crack courses it is recommended to provide mechanical weakness zones in the masking layer which are to be produced by means of microstructuring techniques. In particular, a way is shown of producing a single nanowire as an electrical connection of two large area metallized surfaces.
Diese Konstruktion realisiert bereits einen elementaren Nanodrahtsensor. Allerdings kann nicht davon ausgegangen werden, dass sich bei jeder Wiederholung des Herstellungsprozesses ein gleichartiger Nanodraht mit denselben elektrischenThis design already implements an elementary nanowire sensor. However, it can not be assumed that with each repetition of the manufacturing process, a similar nanowire with the same electrical
Eigenschaften ergibt. Für die industrielle Fertigung wäre es vielmehr erforderlich, die statistische Varianz der Nanodrahteigenschaften unter Kontrolle zu haben, d.h. jeder einzelne Sensor sollte mit einer Mehrzahl von Nanoverbindungen ausgestattet sein, damit sich ein - im Mittel - reproduzierbares Device herstellen lässt. Dies setzt implizit voraus, dass schon die Risse in der Maskierungsschicht ausreichend gleichförmig verlaufen und ähnliche Rissprofile aufweisen.Properties results. Rather, for industrial fabrication, it would be necessary to control the statistical variance of the nanowire properties, i. Each individual sensor should be equipped with a large number of nano-connections, so that a - on the average - reproducible device can be produced. This implicitly implies that even the cracks in the masking layer are sufficiently uniform and have similar crack profiles.
Folgt man den Vorschlägen von Adelung et al., dann könnte man mehrere parallel verlaufenden Nanodrähte erzeugen, indem man benachbarte Areale der Maskierungsschicht durch Mikrostrukturierung schwächt und einreißt. Dies bringt einen erhöhten Strukturierungsaufwand und einen Mindestabstand der Risse (und somit Drähte) im Mikrometerbereich mit sich. Zudem kann nicht davon ausgegangen werden, dass die Risse gleichartig sind, z.B. können sie unterschiedlich weite Öffnungen besitzen. Alternativ wird vorgeschlagen, ein Areal mit homogener Maskierungsschicht durch Verbiegung des Substrats so einzureißen, dass eine Mehrzahl paralleler Risse auf engem Raum entsteht. Dies ist aber zumindest für die Silizium-Technologie keine vorteilhafte Prozedur.Following the suggestions of Adelung et al., One could create several parallel nanowires by weakening and tearing off adjacent areas of the masking layer by microstructuring. This brings an increased structuring effort and a minimum distance of the cracks (and thus wires) in the micrometer range with it. In addition, it can not be assumed that the cracks are similar, for example, they may have different wide openings. Alternatively, an area with a homogeneous masking layer is proposed by tearing down the substrate so as to create a plurality of parallel cracks in a small space. However, this is not an advantageous procedure, at least for silicon technology.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zu schaffen, mit dem eine regelmäßige Anordnung von Nanoverbindungen auf einem Substrat geschaffen werden kann, die mit der Silizium-Technologie kompatibel ist und nur geringe Anforderungen an die Aufwendungen zur Mikrostrukturierung stellt.It is therefore an object of the invention to provide a method by which a regular arrangement of nano-compounds on a substrate can be created, which is compatible with the silicon technology and only makes low demands on the expenses for microstructuring.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Hauptanspruchs. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen an.The object is achieved by a method having the features of the main claim. The dependent claims indicate advantageous embodiments.
Die Erfindung nutzt den an sich bekannten Effekt, dass ein eingespannter Streifen aus elastischem Material unter der Einwirkung einer Kompression in der Ebene des Streifens dazu tendiert, regelmäßige Wölbungsmuster auszubilden. Dieser Effekt entsteht durch Selbstorganisation auf einem ansonsten gleichmäßig ausgebildeten Streifen, insbesondere mit homogener Dicke, ohne weitere Maßnahmen zur Strukturvorgabe (siehe dazu Audoly et al., „Secondary buckling patterns of a thin plate under in-plane compression", Eur. Phys. J. B 27, 7-10 (2002)).The invention utilizes the known effect that a strapped strip of elastic material under the action of compression in the plane of the strip tends to form regular buckling patterns. This effect results from self-organization on an otherwise uniformly formed strip, in particular with a homogeneous thickness, without further measures for structural specification (see in this respect Audoly et al., "Secondary buckling patterns of a thin plate under in-plane compression", Eur. Phys B 27, 7-10 (2002)).
Erfindungsgemäß wird der genannte Effekt auf die Maskierungsschicht übertragen, um selbstorganisiert regelmäßige Rissmuster zu erzeugen. Da die Nanoverbindungen zwischen zwei großflächig mit Nanodrahtmaterial bedeckten Flächen herzustellen sind, wird man diese Flächen - wie im Stand der Technik bereits beschrieben - gleichzeitig mit den Nanoverbindungen erzeugen. Dazu wird das Substrat, insbesondere einAccording to the invention, said effect is transferred to the masking layer in order to generate self-organized regular crack patterns. Since the nano-compounds are to be produced between two surfaces covered with nanowire material over a large area, these surfaces will be produced simultaneously with the nano-compounds, as already described in the prior art. For this purpose, the substrate, in particular a
Silizium- Wafer, zunächst mit einer Maskierungsschicht versehen, die danach in den Bereichen der beiden besagten Flächen entfernt wird. Zwischen den freigelegten Bereichen wird zunächst ein schmaler Streifen (einige Mikrometer breit, etliche 10 Mikrometer lang) mit Maskierungsschicht beibehalten, über dessen Breite die Nanoverbindungen gebildet werden sollen. Durch Induzieren von thermischem Stress, der auf das Substrat mindestens im Bereich des verbliebenen Maskierungsstreifens einwirkt, wird nun in Analogie zur oben beschriebenen regelmäßigen Materialwölbung eine ebenfalls regelmäßige Rissstruktur in dem Maskierungsstreifen erzeugt. Dabei entstehen mehrere gleichartige Risse, die auf dem Streifen nebeneinander angeordnet sind und dabei die gesamte Breite des Streifens durchqueren. Im Allgemeinen ist das erzeugte Rissmuster entlang der Länge des Streifens periodisch ausgebildet. Das Aspektverhältnis (Länge : Breite) des Maskenstreifens muss zur Durchführung des Verfahrens deutlich größer als Eins sein. Die Erfindung wird verdeutlich anhand der folgenden Figuren. Dabei zeigt:Silicon wafer, first provided with a masking layer, which is then removed in the areas of the two said surfaces. Between the exposed areas, a narrow strip (a few micrometers wide, several tens of micrometers long) with a masking layer is maintained, over the width of which the nano-compounds are to be formed. By inducing thermal stress, which acts on the substrate at least in the region of the remaining masking strip, a likewise regular crack structure is produced in the masking strip in analogy to the regular material curvature described above. This results in several similar cracks, which are arranged on the strip next to each other and thereby traverse the entire width of the strip. In general, the generated crack pattern is periodically formed along the length of the strip. The aspect ratio (length: width) of the mask strip must be significantly greater than one to perform the method. The invention will be clarified with reference to the following figures. Showing:
Fig. 1 eine schematische Skizze zur Erzeugung einer einzelnen Nanoverbindung zwischen zwei metallisierten Flächen,1 is a schematic sketch for producing a single nano-compound between two metallized surfaces,
Fig. 2 Elektronenmikroskop- Aufnahmen in verschiedenen Vergrößerungsstufen von einem Maskierungsstreifen mit regelmäßigen Risse erzeugt nach derFig. 2 electron micrographs at different magnification levels of a masking strip with regular cracks generated by the
Lehre der Erfindung,Teaching of the invention,
Fig. 3 zwei Beispiele für Rissmuster, die durch Variation der Abmessungen der Maskierungsschicht erzeugt werden können.Fig. 3 shows two examples of crack patterns that can be generated by varying the dimensions of the masking layer.
In Fig. 1 a) ist ein Substrat 10, vorzugsweise ein Silizium- Wafer, bedeckt mit einer elektrischen Isolationsschicht 12 (z.B. hier SiO2) dargestellt, auf dem eine mikrostrukturierte Maskierungsschicht 14 bereits gebildet worden ist. Vorzugsweise wird die Maskierungsschicht ein lichtsensitiver Lack sein, der in an sich bekannter Weise fotolithografisch behandelt und an vorbestimmten Stellen entfernt wird. Die verbleibende Maskierung ist durch einen Streifen gekennzeichnet, der zwei großflächig freigelegte Bereiche der Substrat- bzw. Isolationsschichtoberfläche voneinander separiert.In Fig. 1 a) is a substrate 10, preferably a silicon wafer, covered with an electrical insulation layer 12 (eg, here SiO 2 ) shown on which a microstructured masking layer 14 has already been formed. The masking layer will preferably be a light-sensitive lacquer which is treated photolithographically in a manner known per se and removed at predetermined locations. The remaining masking is characterized by a strip which separates two areas of the substrate or insulating layer surface exposed over a large area from one another.
Fig. 1 b) zeigt einen Riss quer durch den Streifen, wodurch das Substrat unter dem Streifen in geringer Breite freigelegt wird. Es ist nicht ungewöhnlich, dass sich das Maskierungsmaterial im Bereich des Risses etwas vom Substrat ablöst (delaminiert). Tatsächlich ist diese Delaminierung 16 sogar sehr vorteilhaft und sollte besonders begünstigt werden, etwa indem man ausreichend dicke Maskenschichten vorsieht, die zur Ausbildung innerer Spannungen neigen. Auch die Auswahl und/oder Beimengung von Polymeren mit hohem thermischem Ausdehnungskoeffizienten als bzw. zu dem Maskierungsmaterial ist eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung.Fig. 1 b) shows a tear across the strip, exposing the substrate under the strip in a small width. It is not uncommon for the masking material to be somewhat delaminated (delaminated) from the substrate in the area of the crack. In fact, this delamination 16 is even very advantageous and should be particularly favored, for example by providing sufficiently thick mask layers which tend to form internal tensions. The selection and / or admixture of polymers with a high thermal expansion coefficient as well as to the masking material is an advantageous embodiment of the invention.
In Fig. 1 c) ist das Ergebnis der Deposition von Material 18 (für Nanodrahtsensoren wird man bevorzugt Edelmetalle aufbringen) auf die Struktur aus Fig. 1 b) zu sehen. Entfernt man nun die Maske mit dem darauf deponierten Material, verbleibt auf dem Substrat der freiliegende Nanodraht, der an beiden Enden mit großflächigen Kontakten versehen ist (Fig. 1 d)).In Fig. 1 c), the result of the deposition of material 18 (for nanowire sensors is preferably applied noble metals) on the structure of Fig. 1 b) to see. If the mask with the material deposited thereon is removed, the exposed nanowire remains on the substrate and is provided with large area contacts at both ends (FIG. 1 d)).
Es ist dabei zu beachten, dass die Rissbildung aus Fig. 1 b) durch einen Stress in der Maskierungsschicht induziert wird, der parallel zum Verlauf des Streifens wirkt. Es ist dabei nicht ohne weiteres zu erwarten, dass sich entlang des Streifens mehrere Risse ergeben oder dass diese ein regelmäßiges Muster bilden würden. Die experimentelle Entdeckung, dass die eingangs beschriebene Selbstorganisation von Verformungen eingespannter Materialstreifen auch auf derartige Maskierungsstreifen übertragbar ist, und dass somit die Herstellbarkeit regelmäßig angeordneter Nanoverbindungen in Industrieprozessen in Reichweite rückt, ist der Kerngedanke der vorliegendenIt should be noted that the cracking of FIG. 1 b) is induced by a stress in the masking layer, which acts parallel to the course of the strip. It is not easy to expect that there are several cracks along the strip or that they would form a regular pattern. The experimental discovery that the initially described self-organization of deformations of clamped strips of material can also be applied to such masking strips, and that thus the manufacturability of regularly arranged nano-compounds in industrial processes comes within reach, is the core idea of the present invention
Erfindung.Invention.
Fig. 2 zeigt Elektronenmikroskop-Aufnahmen eines nach dem hier beschriebenen Verfahren eingerissenen Maskierungsstreifens in 4 Vergrößerungsstufen. Die entlang des Streifens verlaufende, periodische Wiederholung eines Grundmusters ist deutlich sichtbar. Das Grundmuster umfasst einen langen Riss quer durch den Streifen mit einem Winkel von etwa 45° gegenüber dem Streifenrand und eine kleine Rissverzweigung jeweils in der Nähe des Streifenrandes, die in den beiden größten Vergrößerungsstufen gut zu erkennen ist.FIG. 2 shows electron micrographs of a masking strip torn according to the method described here in 4 magnification steps. FIG. The periodic repetition of a basic pattern running along the strip is clearly visible. The basic pattern includes a long tear across the strip at an angle of about 45 ° to the strip edge and a small crack split each near the strip edge, which is clearly visible in the two largest magnification steps.
Das besagte Grundmuster kann erfindungsgemäß variiert werden, indem man die Abmessungen des Maskierungsstreifens kontrolliert. Fig. 3 c) zeigt die Grundmuster, die sich bei unterschiedlichen Breitenstreifen einstellen (entnommen aus SEM- Aufnahmen, die als Fig. 3 a) und b) dargestellt sind). Offensichtlich lässt sich insbesondere die Rissdichte einstellen, d.h. also die Zahl der Nanoverbindungen proThe said basic pattern can be varied according to the invention by controlling the dimensions of the masking strip. Fig. 3 c) shows the basic patterns which are set at different width strips (taken from SEM photographs, which are shown as Fig. 3 a) and b) are shown). Obviously, in particular, the crack density can be adjusted, i. So the number of nano compounds per
Längeneinheit des Maskierungsstreifens. Zudem ist offenbar auch die Gesamtlänge aller Nanoverbindungen durch das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur gut messbar, sondern sogar gezielt einstellbar.Length unit of the masking strip. In addition, apparently, the total length of all nano-compounds by the method according to the invention not only easy to measure, but even specifically adjustable.
Ausführungsbeispielembodiment
Auf einen Silizium-Wafer mit SiO2-Isolationsschicht wird kommerziell erhältlicher Shipley Lack S 1813 im geschlossenen System mit einer Dicke von 550 nm aufgeschleudert („spin coating"). Dazu wird das maskierte Substrat für 20 min einem Haftvermittler HDMS (Hexamethyldisilaxane) ausgesetzt. Die Maskierungsschicht wird danach fotolithografisch mikrostrukturiert, wobei die Mikrostrukturen während der Herstellung bei 100°C für 30 min getempert, 2 sec belichtet und 30 sec entwickelt werden.On a silicon wafer with SiO 2 insulation layer, commercially available Shipley Lack S 1813 is spun in a closed system with a thickness of 550 nm ("spin coating"). For this purpose, the masked substrate is exposed for 20 minutes to an adhesion promoter HDMS (hexamethyldisilaxanes). The masking layer is then photolithographically microstructured, wherein the microstructures are annealed during production at 100 ° C for 30 min, exposed for 2 sec and developed for 30 sec.
Die nach dem Entwickeln freigelegten Bereiche des Substrats bestehen im einfachstenThe exposed areas of the substrate after development are the simplest
Fall aus zwei etwa 1 mm2 großen, quadratischen Feldern, von denen je ein 200 μm breiter Kanal abzweigt. Diese Kanäle laufen aufeinander zu, berühren sich aber nicht, sondern bleiben durch einen 8-10 μm breiten Streifen aus Fotolack getrennt. In Fig. 2 a) sind die Kanäle als weiße Flächen zu sehen. Die quadratischen Felder sind nicht abgebildet.Case from two approximately 1 mm 2 large, square fields, each of which branches off a 200 micron wide channel. These channels converge, but do not touch, but remain separated by a strip of photoresist 8-10 μm wide. In Fig. 2 a) the channels are seen as white areas. The square boxes are not shown.
Die gebildete Maskenstruktur samt Substrat wird nun für 30 Minuten auf einer Herdplatte auf 90°C erhitzt. Direkt im Anschluss wird der Fotolack für ca. 3 min einem kalten Gasstrom ausgesetzt. Dies geschieht im Dampf von flüssigem Stickstoff, der aus einem Loch in einem mit flüssigem Stickstoff befüllten Gefäß austritt. Anschließend erwärmen sich die Proben wieder auf Raumtemperatur. Dieser Prozess führt zu thermischen Spannungen, die in Rissbildung und Delaminierung im Fotolack führen. Es entsteht ein zick-zack-förmiges, periodisches Rissmuster, welches die beiden Kanäle verbindet. Der Durchmesser die Risse ist auf der Nanoskala und kann durch weitere Behandlungsschritte wie Erhitzen verändert werden. Im Beispiel der Fig. 2 verteilen sich die 20 Risse gleichmäßig über die 200 μm Kanalbreite und haben daher einen Abstand von etwa 20μm untereinander (vgl. Fig. 2 b)). Ihre Länge beträgt etwa 14.2 μm. Eine anschließende Metallisierung z.B. durch Verdampfung von Chrom alsThe formed mask structure together with the substrate is then heated for 30 minutes on a hotplate to 90 ° C. Immediately afterwards, the photoresist is exposed to a cold gas flow for approx. 3 min. This is done in the vapor of liquid nitrogen emerging from a hole in a vessel filled with liquid nitrogen. The samples then warm to room temperature again. This process leads to thermal stresses that result in cracking and delamination in the photoresist. The result is a zig-zag, periodic crack pattern that connects the two channels. The diameter of the cracks is on the nanoscale and can be changed by further treatment steps such as heating. In the example of FIG. 2, the 20 cracks are distributed uniformly over the 200 μm channel width and therefore have a spacing of approximately 20 μm between them (compare FIG. Its length is about 14.2 microns. Subsequent metallization e.g. by evaporation of chromium as
Haftvermittler und anschließende Sputterdeposition mit Edelmetall füllt die quadratischen Flächen, die Kanäle und Risse mit Metall auf. Der Fotolack wird entfernt durch Exposition mit Aceton für ein paar Minuten. Anschließendes Tauchen der Strukturen in ein mit Aceton gefülltes Ultraschallbad für 1-2 sec entfernt überflüssiges Metall und schließt den Prozess ab. Alle so erzeugten Nanodrähte weisen Durchmesser von 50 bis 100 nrn auf.Adhesive and subsequent Sputterdeposition with precious metal fills the square surfaces, the channels and cracks with metal. The photoresist is removed by exposure to acetone for a few minutes. Subsequent dipping of the structures in an acetone-filled ultrasonic bath for 1-2 sec removes excess metal and completes the process. All nanowires produced in this way have diameters of 50 to 100 nm.
Abschließend sollte noch darauf verwiesen werden, dass die hier im Vordergrund zur Motivation angeführte Herstellung von Nanodrahtsensoren mit leitfähigen Nanodrähten nicht als Einschränkung der Erfindung verstanden werden soll. Offenbar ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung von Rissmustern in Maskierungsflächen sehr wohl geeignet, Nanoverbindungen aus beliebigen Materialien zu erzeugen, insbesondere auch aus Halbleitern oder Isolatoren, z.B. Keramiken. Einzige Anforderung an das Material ist nur, dass es sich in so kleinen Partikelgrößen auf das Substrat bringen lässt, dass es problemlos in die Risse in der Maskierung eintreten und darunter am Substrat haften kann. Dies stellt indes keine zu große Einschränkung dar.Finally, it should be pointed out that the production of nanowire sensors with conductive nanowires cited here in the foreground for motivation should not be understood as limiting the invention. Obviously, the method according to the invention for generating crack patterns in masking surfaces is very well suited for producing nano-compounds of any desired materials, in particular also semiconductors or insulators, e.g. Ceramics. The only requirement of the material is that it can be applied to the substrate in such small particle sizes that it can easily enter the cracks in the masking and adhere to the substrate underneath. However, this is not too great a restriction.
Die Untersuchung der Kontrollmöglichkeiten für die verschiedenen Rissmuster, die sich auf dem Maskierungsstreifen einstellen können, ist sicherlich längst nicht abgeschlossen. Konkret nachgewiesen ist zunächst nur die Abhängigkeit von denThe investigation of the control possibilities for the various crack patterns that can be set on the masking strip is certainly far from complete. Concretely proven at first is only the dependence on the
Abmessungen des Streifens, jedoch können zahlreiche weitere Parameter ebenfalls noch eine Rolle spielen, beispielsweise:Dimensions of the strip, however, numerous other parameters may also play a role, for example:
• Absoluttemperaturen, denen das maskierte Substrat ausgesetzt wird, • Temperaturgradienten bezüglich der Zeit beim Erwärmen oder Abkühlen,Absolute temperatures to which the masked substrate is exposed, Temperature gradients with respect to the time when heating or cooling,
• Materialzusammensetzung der Maske, insbesondere Beimengungen,Material composition of the mask, especially admixtures,
• Zusätzliche Krafteinwirkungen auf die Maske, z.B . Ultraschallbeschuss in Schutzgasatmosphäre.• Additional force effects on the mask, e.g. Ultrasonic bombardment in protective gas atmosphere.
Diesen möglichen Ausgestaltungen ist gemein, dass sie auf i. a. aufwendige Manipulationen auf der Mikro- oder gar Submikrometerskala verzichten können. Die Basis ihrer Anwendbarkeit ist allerdings die hier erstmals realisierte Übertragung der selbstorganisiert regelmäßigen Strukturbildung in Maskenmaterial kombiniert mit der Nanodrahterzeugung infolge systematischer Rissbildung in solchen Masken. Von daher kann die vorliegende Erfindung als ein Schlüsselkonzept zur Herstellung regelmäßig angeordneter Nanoverbindungen auf Substraten in industriellen Fertigungsprozessen aufgefasst werden. These possible embodiments have in common that they are based on i. a. can do without costly manipulations on the micro- or even submicrometer scale. The basis of their applicability, however, is the transfer of self-organized regular structure formation into mask material, which is realized here for the first time, combined with nanowire production as a result of systematic crack formation in such masks. Thus, the present invention may be construed as a key concept for making regularly arranged nano-compounds on substrates in industrial manufacturing processes.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Erzeugung einer Mehrzahl regelmäßig angeordneterA method for producing a plurality of regularly arranged
Nanoverbindungen auf einem Substrat unter Verwendung einer Risse bildenden elastischen Maskierungsschicht mit den Schritten :Nano-compounds on a substrate using a crack-forming elastic masking layer comprising the steps of:
Mikrostrukturieren der Maskierungsschicht zur Erzeugung von wenigstens einem definierten Gebiet mit Maskierung, über die sich dieMicrostructuring the masking layer to create at least one masked area over which the
Nanoverbindungen erstrecken sollen,To extend nano-compounds,
Erzeugen von Rissen in der Maskierungsschicht,Creating cracks in the masking layer,
- Aufbringen des die Nanoverbindungen bildenden Materials wenigstens auf die Strukturen der Maskierungsschicht in die Risse sowie auf die nicht maskierten Regionen des Substrats,Applying the nanocomposite-forming material at least to the structures of the masking layer in the cracks as well as on the unmasked regions of the substrate,
Entfernen der Maskierungsschicht mit dem darauf befindlichen Material,Removing the masking layer with the material thereon,
wobei das definierte Gebiet mit einem im wesentlichen rechteckigen Maskierungsstreifen bedeckt wird, über dessen Breite sich die Nanoverbindungen erstrecken sollen, wobei die Länge des Streifens größer als seine Breite ist, undwherein the defined area is covered with a substantially rectangular masking strip over the width of which the nano-compounds are to extend, the length of the strip being greater than its width, and
durch Induzieren von Stress in dem Maskierungsstreifen ein eine Mehrzahl von Risslinien umfassendes, selbstorganisiert regelmäßiges Rissmuster erzeugt wird, so dass eine Mehrzahl regelmäßig angeordneter Nanoverbindungen über das wenigstens eine definierte Gebiet gebildet wird.by inducing stress in the masking stripe, a self-organized regular crack pattern comprising a plurality of scribed lines is generated such that a plurality of regularly arranged nanoconnections are formed over the at least one defined area.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das selbstorganisiert regelmäßige Rissmuster durch die Wahl der Abmessungen des Maskierungsstreifens vorbestimmt wird. 2. The method according to claim 1, characterized in that the self-organized regular crack pattern is predetermined by the choice of the dimensions of the masking strip.
3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Maskierungsstreifen thermischer Stress induziert wird, indem das Substrat mit Maskierungsstreifen abwechselnd erwärmt und abgekühlt wird.3. Method according to one of the preceding claims, characterized in that thermal stress is induced in the masking strip by alternately heating and cooling the substrate with masking strips.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat mit Maskierungsschicht auf einer Heizplatte erwärmt und durch kalte Begasung abgekühlt wird.4. The method according to claim 3, characterized in that the substrate is heated with masking layer on a hot plate and cooled by cold gassing.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Maskierungsschicht aus einem lichtempfindlichen Material gebildet wird und das Mikrostrukturieren fotolithografisch erfolgt. 5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the masking layer is formed from a photosensitive material and the microstructuring takes place photolithographically.
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