WO2020239172A1 - Vorrichtung und verfahren zur verwendung von diamant-nanokristallen mit nv-farbzentren in cmos-schaltkreisen - Google Patents

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optical
planar substrate
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Bernd Burchard
Jan Meijer
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Bernd Burchard
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    • G01R33/26—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance for measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using optical pumping

Definitions

  • the invention is directed to apparatus and methods of using functional
  • Nanoparticles in integrated circuits in general and of diamond nanocrystals with NV color centers in CMOS circuits in particular are examples of diamond nanocrystals with NV color centers in CMOS circuits in particular.
  • NV centers in diamond crystals are preferred today. These are optically controlled and read out.
  • Diamond layers with NV centers are not CMOS compatible due to the temperatures involved.
  • NEMS antennas for a readout head of a hard disk is known from US 2005 0 218 397 A1.
  • color centers are understood to mean paramagnetic centers in crystals. These paramagnetic centers are preferably NV centers in diamond. SiV centers centers similar to us can be used if they are suitable.
  • the invention is therefore based on the object of creating a solution which does not have the above disadvantages of the prior art and has further advantages.
  • electro-optical, microelectronic or photonic system is to provide nano diamonds with NV centers and then with a carrier (TM), for example gelatin, for example in aqueous solution or in solution with another suitable solvent, or a similar suitable agent to stir a colloidal solution of these nano-diamonds in the carrier.
  • TM carrier
  • gelatin for example in aqueous solution or in solution with another suitable solvent, or a similar suitable agent to stir a colloidal solution of these nano-diamonds in the carrier. It is therefore an assembly principle for functional
  • Nanoparticles in MOS or CMOS microsystems This principle can be extended in general to the assembly of functional nanoparticles in MOS or CMOS circuits or circuits manufactured in other semiconductor and / or microtechnologies.
  • NP nanoparticles
  • diamonds with NV centers are preferably used. Their size is preferred, but expressly not necessarily in the nano range. Other size ranges are therefore expressly included in the claim and disclosure. It was recognized according to the invention that, in contrast to the prior art, no microwave radiation is necessary to operate the systems so that the paramagnetic center, also referred to below as the color center, which is excited to a high level, falls to an intermediate level. In the case of diamonds with NV centers, the color center is an NV center. It is typically sufficient if the sensor element, for example the diamond crystal, has a sufficiently high density of paramagnetic centers, that is, for example, preferably a sufficient density of NV centers in diamond. An exemplary diamond crystal preferably has a NV center density of more than 0.01 ppm based on the number of
  • Carbon atoms per unit volume Of course, lower concentrations such as, for example, of more than 0.01 ppm and / or of more than 10 3 ppm and / or of more than 10 4 ppm and / or of more than 10 5 ppm and / or of more than 10 6 ppm can be used will.
  • the fluorescence signal of the NV centers when irradiated with green light is then always weakened so that ever higher demands are placed on electronic post-processing.
  • the aforementioned density of color centers - that is, preferably the density of the NV centers - does not need to be achieved everywhere in the sensor element, i.e. the exemplary diamond. It was recognized in the course of the invention that it is rather sufficient if this density is locally exceeded.
  • the sensor element can be a single diamond as well as a plurality of diamonds.
  • the diamonds can be large or small.
  • the diamonds can be in powder form or as granules.
  • the diamonds can be nanocrystalline.
  • the nanocrystalline form enables processing as a colloidal solution, which is discussed below. Preference is therefore given to the quantum technological, micro-electro-optical or photonic system that is to be produced here microwave-free, which in the case of NV centers as color centers is only achieved through the high NV center density.
  • the functional nanoparticles are present in sufficiently large quantities in the same form.
  • the nanoparticles are nanodiamonds with a color center (FZ).
  • FZ color center
  • the nanodiamonds are therefore also referred to with the reference symbol NP in order to represent this example for the nanoparticles per se.
  • NV centers are preferred as color centers.
  • the nano diamonds (NP) with color centers (FZ) are mixed with the previously selected and in a suitable form, for example as an aqueous gelatin solution, provided carrier (TM) and optionally a solvent (LM) to adjust the viscosity, for example for mixing in a container given and stirred (VR) until a colloidal mixture (KL) is formed, which is used for the intended further processing, for example in a subsequent spin-on coating or a printing process, for example a screen printing process and / or a stencil printing and / or pad printing is suitable.
  • TM aqueous gelatin solution
  • LM solvent
  • KL colloidal mixture
  • Carrier means (TM) (gelatin in aqueous solution) and these nanoparticles (NP), namely nano-diamonds with NV color centers as color centers (FZ) are limited.
  • color center includes all suitable paramagnetic centers.
  • diamond nanoparticles as nanoparticles (NP) with SiV centers as color centers (FZ) or silicon nanoparticles with corresponding paramagnetic centers can be used if they are useful for fulfilling the technical purpose of the system to be produced .
  • the stress also includes such combinations.
  • NP nanoparticles
  • TM materials and other carriers
  • LM solvents
  • NP nanoparticles
  • coating is used. If applicable, this term should also include the terms lacquering, coating and / or local wetting.
  • the reference symbol (NP) here not only stands for nano-diamonds, but also for more general nanocrystals and even more generally for nanoparticles (NP), which can also include functional elements.
  • These functional elements can be quantum mechanical functional elements such as color centers and / or electromagnetic functional elements such as antennas and / or nanoscale circuits and / or electronic components and / or electronic circuits and / or antennas etc.
  • these functional elements can also be ferromagnetic, diamagnetic and other paramagnetic functional elements.
  • the nanoparticles (NP) can be amorphous, glass-like, polycrystalline or monocrystalline.
  • the nanoparticles (NP) can also comprise different materials and layers.
  • it can be silicon nanocrystals that are enveloped by a SiO 2 layer and preferably have suitable paramagnetic centers.
  • TM carrier medium
  • nanoscopic devices such as detached MEMS or NMES antennas or other nanoscopic substructures
  • the nanoparticles (NP) can thus comprise nanoscopic functional elements whose operating principle is electromagnetic and / or optical (which is also an electromagnetic interaction.) And / or mechanical and / or catalytic.
  • the MEMS and NEMS structures can be plasmonic antennas but also nanoparticles (NP), in particular nanodiamonds (ND), for example with color centers (FZ) (in the case of nanodiamonds, for example, NV and / or FI3 centers ) or other quantum technological functional elements.
  • NP nanoparticles
  • ND nanodiamonds
  • FZ color centers
  • the process described here is therefore an assembly process for a large number of nanoscopic, preferably similar objects, which, however, do not necessarily have to be objects of the same type.
  • nanoscopic objects can be produced in large numbers on a wafer, for example a silicon wafer or GaAs wafer or a diamond wafer, etc., using the photolithographic methods known from microtechnology in a first group of process steps then in a second group of nanoscopic objects (nanoparticles (NP))
  • a wafer for example a silicon wafer or GaAs wafer or a diamond wafer, etc.
  • photolithographic methods known from microtechnology in a first group of process steps then in a second group of
  • Process steps are detached from said wafer by wet chemical means and by filtration from the wet chemical etchant that is used for detachment
  • Nanoparticles (NP) in the sense of this document are objects that are smaller than 50miti, better smaller than 20miti, better smaller than IOmiti, better smaller than 5miti, better smaller than 2miti, better smaller than Imiti, better smaller than 500nm, better smaller than 200nm, better smaller than 100nm, better smaller than 50nm, better smaller than 20nm, better smaller than lOnm, better smaller than 5nm, better smaller than 2nm, better smaller than lnm.
  • KL colloidal varnish
  • NP nanoparticles
  • TM carrier
  • LM solvent
  • the viscosity of the colloidal varnish (KL) can usually be optimally adjusted.
  • organic and inorganic solvents such as alcohols and / or water
  • solvents LM
  • a planar substrate for example a MOS or CMOS wafer or BICMOS wafer or bipolar wafer or a planar glass or plastic wafer
  • KL colloidal varnish
  • the basic version of the method presented here provides for the colloidal lacquer (KL) thus created to be applied to the planar substrate (sub), preferably a semiconductor substrate - for example a silicon wafer -, for example by spinning or spraying. (See FIG. 2.)
  • the planar substrate preferably a semiconductor substrate - for example a silicon wafer -
  • spinning or spraying See FIG. 2.
  • FIG. 2. With regard to the coating processes possible in the prior art, reference is made here to Marc J. Madou “Fundamentals of Microfabrication: the Science of miniaturization” CRC Press 2002, for example.
  • FIG. 2 shows an example of a possible coating process that corresponds to the coating process.
  • the colloidal coating (KL) is applied, for example, by means of a dispenser (DP), a special one
  • Dosing device preferably in the center of symmetry of the exemplary planar substrate (Sub), here an exemplary wafer, onto this at a preferably predetermined time
  • the wafer which is the exemplary planar
  • the substrate (Sub) is on the turntable of a spin coater (SC).
  • SC spin coater
  • This turntable of the spin coater (SC) rotates at a process-typical speed, typically in accordance with a process-typical time speed profile.
  • the application and the The speed of rotation can depend on the point in time since the beginning of the coating, for example by the dispenser (DP), in order to ensure an optimal result for the coating with the colloidal varnish (KL) and the placement of the nanoparticles (NP). They therefore preferably follow a rotation speed profile or a time profile of the application amount of the colloidal lacquer (KL).
  • the exemplary steps of the coating process are shown schematically and in simplified form in FIG.
  • the relevant exemplary coating process in FIG. 3 begins with the beginning of the process (1). This is followed by providing (2) the planar substrate (Sub), preferably a semiconductor substrate - for example a wafer - and providing (3) said colloidal lacquer (KL) in the form of a colloidal solution of nanoparticles (NP) in one
  • the provision (2) of the planar substrate (Sub) and the provision (3) of the colloidal lacquer (KM) can take place in any order, one after the other or simultaneously. In the example of the placement of
  • Nanoparticles (NP) with color centers (FZ) as functional nanoparticle elements should have at least some, better all of the nanoparticles (NP) have a functional element.
  • all nanocrystals should have a matching color center (FZ).
  • all nanodiamonds should have a color center (FZ), for example an NV center and / or an H3 center.
  • all of the nanoparticles (NP) should have the same number of the same functional elements.
  • all nanocrystals should very particularly preferably have the same number and the same types of color centers (FZ).
  • FZ color centers
  • all nanodiamonds should have the same number of color centers (FZ), for example NV centers and / or H3 centers.
  • NP nanoparticles
  • Substructures are understood that form a functional element.
  • These quantum dots can be color centers, for example.
  • NP nanocrystals
  • FZ color centers
  • nanodiamonds as nanoparticles (NP) to be placed this means that all nanodiamonds then have, for example, exactly one NV center or precisely one FI3 center.
  • the colloidal lacquer (KL) is later structured and hardened to form a structured colloidal film (FM) on the planar substrate (sub). So that this later colloidal film (FM) can adhere to the surface of the planar substrate (Sub), the colloidal lacquer (KL) should be the functional
  • Nanoparticles can wet at least parts of the planar substrate (Sub). This can be controlled in a known manner, for example, by one or more optional preliminary plasma treatments (5) with hydrogen or oxygen or the like.
  • the wetting properties of the surface can also be modulated in the area (wetting vs. non-wetting) by means of a photolithography (4) preceding the plasma treatment. For this purpose, prior to the plasma treatment (5), some surface areas are selectively covered with photoresist in the said photolithography step (4), for example, and other areas that are to be treated are not covered with photoresist so that they are exposed to the plasma. Such a modulation of the wetting properties would thus be a further optional additional
  • the cover lacquer is typically removed again (6) if the said photolithography step (4) was carried out beforehand.
  • the colloidal lacquer (KL) with the nanocrystalline nanoparticles (NP) it contains is then hardened to a colloidal film (FM) (8) to such an extent that it is mechanically stable enough for further processing, but also by means of other subsequent process steps can be structured.
  • This structuring (9) of the colloidal film (FM) is usually preferably carried out using photolithographic methods. Such a structuring (9) is not absolutely necessary. In some applications it may be sufficient to apply the colloidal varnish (KL) using one of the said varnishing methods, i.e. to carry out varnishing (7) and the colloidal varnish (KL) to harden completely (10).
  • the structuring (9) is also conceivable in addition to the said photolithographic processes by means of micromechanical processes (scoring, milling). Excimer lasers and particle beams such as electrons and / or ion beams can also be used for structuring. Either the carrier material (TM) of the colloidal varnish (KL) or the colloidal film (FM) resulting from it is itself a
  • the photoresist should be chosen so that it can be selectively structured by the colloidal lacquer (KL) or colloidal film (FM) and the colloidal lacquer (KM) or colloidal film (FM) can be selectively structured by the photoresist .
  • Support material for example a suitable photosensitive polyimide.
  • the preferably photolithographic or micromechanical structuring (9) of the colloidal lacquer (KL) to form the colloidal film (FM) then takes place.
  • the final hardening (10) of the colloidal film (FM) typically takes place.
  • NP nanoparticles
  • NP functional nanoparticles
  • NP nanoparticles
  • the nanoparticles (ND) are particularly preferably nanocrystals with a crystal size of less than 1pm and / or less than 500 nm and / or less than 250 nm and / or less than 100 nm and / or less than 50 nm and / or less than 25 nm and / or less than 10 nm and / or less than 5 nm and / or less than 2.5 nm and / or less than 1 nm.
  • the nanoparticles (NP) preferably have a functional element.
  • This functional element is preferably a color center (FZ) that is suitable and intended for this purpose predefined electromagnetic radiation and / or predefined electromagnetic fields to interact in particular by absorption and / or radiation.
  • At least one color center (FZ) is preferably an NV center (NV) or an FI3 center or a SiV center in the diamond nanocrystal.
  • nanoparticles can be used to mix different types of nanoparticles. For example, it can be useful if some of the nanoparticles are ferromagnetic or have a ferromagnetic partial device.
  • a nanocrystal as a nanoparticle can have several color centers (FZ) of the same or different types.
  • Each nanocrystal preferably has at least one suitable one
  • Color center (FZ) of a kind of color center Even better, everyone has at least exactly one suitable color center (FZ) of one type of color center and no color center of another type of color center.
  • color center type is understood here to mean the specific atomic structure of a color center in the crystal, for example NV centers in diamond or SiV centers in diamond or FI3 centers in Dimant.
  • nanocrystals made of III / V material and / or II / VI material and / or a direct semiconductor material or mixtures thereof as nanoparticles (NP) is also conceivable.
  • a potential monofrequency excitation ability of a can be used as the color center (FZ)
  • electromagnetic functional element e.g. a paramagnetic center, such a nanoparticle (NP) with a single photon.
  • NP nanoparticle
  • nanoparticles (NP) can also be electromagnetically interacting nanostructures, for example nanomechanical electromagnetic and / or electromechanical resonators and / or antenna structures which have a resonance frequency that can be electromagnetically excited by a single photon. In the extreme case, it can also be point, line or area crystal defects.
  • This is a method for the targeted, spatially resolved placement of individual functional nanoparticles (NP) in nanoscopic dusts on a planar substrate (sub).
  • FIG. 4 shows an exemplary method for producing preformed diamond nanoparticles (ND) as an example for the microtechnological production of functional nanoparticles (NP).
  • ND diamond nanoparticles
  • NP functional nanoparticles
  • a deposition substrate (W), for example a silicon wafer, is provided (FIG. 4a).
  • a functional layer, for example a diamond layer, is deposited on this deposition substrate (W) (FIG. 4b).
  • a wide variety of methods for depositing diamond layers, for example by means of CVD methods, are known from the prior art, so that these do not have to be explained further here.
  • a process step for reducing the hydrogen concentration is preferably carried out in such a process in order to remove excess hydrogen from the diamond layer deposited by means of CVD. It is preferably a heat treatment at high temperature and preferably at high pressure. Very particularly preferably, this takes place during the deposition cyclically with the deposition in order to make the low diffusion rate in diamond ineffective. Diamond layers are typically deposited in the presence of hydrogen, which prevents the formation of NV centers in the diamond. Due to the cyclic deposition, the hydrogen can diffuse out of the few deposited layers and leave the layer despite the low diffusion rate. In this way, the hydrogen content can be reduced.
  • Doping the diamond layer with dopants is also recommended to increase the NV center yield.
  • doping the diamond layer with sulfur comes into consideration here.
  • the doping can take place during the deposition and / or by ion implantation.
  • the diamond layer preferably has a predetermined crystal orientation. Regarding the growth of pre-oriented diamond layers, reference is made to the prior art.
  • the diamond layer is preferably isotopically pure in order to keep the interaction between the NV centers and the diamond lattice in a predefined ratio. It is preferably an isotopically pure diamond layer made of C12 carbon or alternatively made of C13 carbon or alternatively made of C14 carbon. Isotope-pure means that the isotope in question dominates and the concentration of the other carbon isotopes is reduced by at least a factor of 10 compared to their proportion in natural carbon deposits.
  • the color centers (FZ) are then generated at preferably predetermined positions in the functional layer (D), for example by individual ion implantation.
  • 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).
  • the functional nanoparticles (NP) are detached from the deposition substrate (W) (FIG. 4e).
  • the nanoparticles (NP) are preferably manufactured as nanocrystals with a fixed crystal orientation relative to the surface of the deposition substrate (W).
  • the nanoparticles (NP) then preferably do not have a fully symmetrical structure, but rather have reduced or nonexistent symmetry. If, for example, nanodiamonds are manufactured as nanoparticles (NP) in this way, NV centers can be manufactured as color centers (FZ). Their optical, electromagnetic and quantum mechanical properties depend on the crystal direction. For example, it makes sense if the [111] direction of the nanodiamonds after assembly coincides with the pointing vector of the irradiating electromagnetic field and / or the direction of the flux density B of an external electromagnetic field. For this purpose, it makes sense to provide the nanoparticles (NP), here for example the nanodiamonds, with a suitable mechanical shape so that they are arranged in a predetermined manner on the surface of the later target substrate, the planar substrate (Sub).
  • NP nanoparticles
  • FZ color centers
  • FIG. 5 shows another process in which a no further structured deposition substrate (W), for example made of diamond as a monocrystalline or polycrystalline diamond wafer with a preferably defined crystal orientation, is provided (FIG. 5a).
  • W no further structured deposition substrate
  • the diamond wafer is preferably isotopically pure. Alternatively, the diamond wafer can also have a reduced proportion of other carbon isotopes.
  • the color centers (FZ), for example the NV centers, are then produced in the substrate (W) (FIG. 5c). This can be done, for example, by ion implantation of nitrogen and subsequent temperature treatment. This is followed by structuring, for example by means of photolithography and RIE plasma etching (FIG. 5d).
  • the nanoparticles (NP, here the exemplary nanodiamonds are detached from the deposition substrate (W), for example by undercutting.
  • a diamond substrate for example, a silicon wafer or the like can also be used.
  • Nanoscopic objects as nanoparticles [NP] Nanoscopic objects as nanoparticles [NP]
  • nanoscopic objects are a problem in general. It is not only about placing the nanoscopic objects in a certain location, for example on a wafer with, for example, a large number of photonic systems, but also about aligning the nanoscopic objects that are used as nanoparticles (NP), since the functional properties, especially the
  • quantum optical properties depend on the orientation within the nanoparticle (NP).
  • NP nanoparticle
  • the outline of such a nanoparticle (NP) and the crystal structure of the material of such a nanoparticle (NP) are defined relative to the outline of such a nanoparticle (NP).
  • a preferred attachment direction of the nanoparticle (NP) on microfluidic structures on the planar substrate (Sub) can be achieved during the coating (see Figure 2) with the colloidal lacquer (KL) of the nanoparticles (NP) will. More on this later. Placement support for the nanoparticles [NP] by
  • microfluidic structures on the planar substrate (sub) can be controlled.
  • FIG. 6 shows an exemplary microfluidic structure to support the placement and, if necessary, alignment of the nanoparticles (NP) during the coating of the planar substrate (Sub) with the colloidal lacquer (KL).
  • the microfluidic structure consists of a first partial structure, the conductive structure (LS), the purpose of which is to capture a predetermined amount of nanoparticles (NP) within the colloidal lacquer (KL) while flowing past in the lacquer process and in the direction of the catching structure (FS) for to conduct the nanoparticle (NP).
  • LS conductive structure
  • NP nanoparticles
  • the lead structure (LS) is characterized by the fact that it does not prevent the movement of the nanoparticles (NP), but directs it towards a target. Therefore, the conductive structure should align with the lacquer flow direction (FR) of the colloidal lacquer (Kl) during the lacquer coating.
  • the preferably existing axis of symmetry (SA) should be aligned with the axis of rotation (RA) of the coating centrifuge (SC) (see also FIG. 1). It is therefore sensible to produce these microfluidic structures not by exposing a photoresist using a stepper but rather by exposing a photoresist using a whole wafer mask and a light source with optics.
  • the conductive structure (LS) consists of two grooves, which are preferably through
  • Microstructuring can be produced on the planar substrate (sub) prior to coating with the colloidal lacquer (KL). Possibly. will be the planar substrate (sub) prior to making this
  • microfluidic functional elements (LS, FS, FS1, FS2) polished. If, for example, it is a CMOS wafer or BICMOS wafer or bipolar wafer or a planar glass, ceramic or plastic wafer, it makes sense to do this before manufacturing the microfluidic functional elements (LS, FS, FS1, FS2) polishing using CMP, for example.
  • the microfluidic structure has a catching structure (FS) with a plurality of lower sub-structures (FS1, FS2) as the second partial structure, the task of which is to fix at least one nanoparticle (NP), if possible.
  • FS catching structure
  • FS1, FS2 lower sub-structures
  • NP nanoparticle
  • a first partial catch structure (FS1), which reduces the probability of a nanoparticle (NP) escaping once it has been caught.
  • the example in FIG. 6 is a structure which is preferably produced in the same work step as the conductive structure (LS). This is an example of a spring structure that protrudes from the surface of the planar substrate (Sub).
  • the first catching part structure (FS1) forms a U-shaped cup which is open towards the guide structure (LS).
  • the catching structure (FS) in the example of FIG is made.
  • the partial figure 6a represents a schematic, simplified plan view of the exemplary microfluidic structure.
  • the partial figure 6b represents a schematic, simplified cross section along the line A-> B of FIG. 6a.
  • the partial figure 6c represents a schematic, simplified cross section along the line A. '-> B' of Figure 6a.
  • ribs tapering towards the edge as a guide structure (LS) lead to an increased probability of a nanoparticle (NP) being placed in a depression as a second catching part structure (FS2) in the surface of the planar substrate (Sub) at the end of this structure, if this is aligned according to the coating flow direction (FR).
  • LS guide structure
  • FS2 second catching part structure
  • catch structures (FS) and guide structures (LS) should preferably be aligned symmetrically to the center of the typically round wafer, which should be identical to the axis of rotation (RA) of the coater (SC) , because the centrifugal forces have this rotational symmetry.
  • FIG. 7 shows the structures of FIG. 6 by way of example and not to scale, only for illustration, in a very simplified manner in principle for clarification.
  • This rotationally symmetrical arrangement means that during the production of at least the microfluidic structures (capture structures FS and guide structures LS) the wafer (planar substrate Sub) has to be rotated during exposure in the stepper, which would require a special stepper and is very expensive.
  • An inexpensive alternative is to use a whole Wafer mask, as it is still common in many places in micromechanical production. This is particularly useful because the microfluidic structures are anyway typically rather macroscopic in the pm range.
  • the microfluidic functional elements (FS, LS, FS1, FS2) control the paint flow of the colloidal paint (KL) and thus the movement of the nanoparticles (NP) during the coating (eg FIG. 2).
  • At least one of the microfluidic functional elements is therefore preferably provided and / or suitable, during the lacquering or coating and / or local wetting of the planar substrate (Sub) with the colloidal lacquer (KL) with one of the Nanoparticles (NP) enter into mechanical or fluid mechanical interaction in order to ultimately influence their placement and, if necessary, alignment.
  • further microfluidic functional elements are provided, which may be. nothing at all with that
  • microfluidic functional elements at least partially together with the microfluidic functional elements (FS, LS, FS1, FS2) provided for placing the nanoparticles (NP).
  • any microelectronic circuit parts to be manufactured in the planar substrate (Sub) in front of the microfluidic functional elements (FS, LS, FS1, FS2) in the process sequence. This typically also applies to micro-optical functional elements.
  • planar substrate [Sub] On the preferred nature of the planar substrate [Sub]
  • the planar substrate (sub) preferably comprises a semiconductor wafer and / or another semiconductor substrate and / or a silicon wafer and / or a GaAs wafer and / or a wafer made of IV material and / or a wafer made of III / V material and / or a wafer made of II / VI material and / or a wafer made of mixtures of such materials and / or a germanium wafer and / or a mono- or polycrystalline diamond wafer and / or a glass wafer and / or a ceramic wafer and / or or a metal sheet and / or a plastic plate.
  • the planar substrate (Sub) is preferably at least partially electrically semiconducting.
  • planar substrate (Sub) preferably comprises a micro-integrated circuit.
  • the planar substrate (Sub) is therefore preferably at least partially electrically semiconducting.
  • Semiconductor substrate and / or for the production of electronic MOS or CMOS or BICMOS or bipolar components is carried out on the semiconductor substrate.
  • the planar substrate (sub) is therefore preferably a MOS, CMOS or BICMOS wafer or a wafer that is manufactured using bipolar technology, that has a microelectronic circuit for controlling a light source and / or a light-sensitive component (eg a photodiode) for detecting the luminescence of the color center (NV) and / or a microelectronic circuit for evaluating the measurement signal of this light-sensitive component.
  • An electronic circuit in the sense of this disclosure comprises an interconnection of at least two microelectronic components that are manufactured in the planar substrate (sub).
  • the microelectronic circuit preferably comprises at least one transistor as a microelectronic component. It is preferably a MOS transistor.
  • the microelectronic circuit comprises at least one transistor, e.g. an N-channel MOS transistor or an NPN bipolar transistor, and at least one transistor complementary thereto, e.g. a P-channel transistor or a PNP transistor, these two transistors then being part of the same microelectronic circuit and these two transistors then being manufactured in the planar substrate (Sub).
  • transistor e.g. an N-channel MOS transistor or an NPN bipolar transistor
  • transistor complementary thereto e.g. a P-channel transistor or a PNP transistor
  • CMOS-MEMS wafer and / or BICMOS-MEMS wafer or bipolar wafer with a device made from it, generally called a chip, then a microelectronic circuit, for example a MOS or CMOS or BICMOS or bipolar circuit, and a micromechanical functional element.
  • Such a chip then preferably has a nanoparticle (ND) which is firmly connected to the planar substrate (Sub) by means of a fastening means, for example a solidified carrier means (TM).
  • a fastening means for example a solidified carrier means (TM).
  • the nanoparticle (ND) preferably has said paramagnetic center, for example one or more NV centers in diamond.
  • a micro-optical functional element particularly preferably an optical waveguide, manufactured, which preferably has the paramagnetic center or centers of the nanoparticle (ND) with a light-emitting component of the micro-integrated circuit, for example a MESA structure (MS) described later, which is preferably in or is manufactured on the planar substrate, and / or is optically coupled to a light-sensitive microelectronic component of the microintegrated circuit, for example a light-sensitive PN diode (pG, nG).
  • the microelectronic circuit can be supplemented by further micro-optical functional elements.
  • FIG. 8 shows, schematically and in a roughly simplified manner, a section through an exemplary system in order to clarify the content of the previous proposal.
  • the basis of the exemplary device is the planar substrate (sub).
  • this is intended to be a silicon wafer piece (generally referred to as chip or die) with a p-type conductivity, as in MOS and CMOS and BICMOS and bipolar -Technique is common today.
  • the explanations here can of course also be applied to the bipolar technique.
  • NP nanoparticles
  • a MOS or CMOS or BICMOS or a bipolar process was carried out with the exemplary planar substrate (Sub), here the silicon wafer.
  • a microelectronic circuit was produced on the silicon wafer, making it a MOS wafer or a CMOS wafer or a
  • BICMOS wafer or became a bipolar wafer Symbolically for such a microelectronic circuit, a single exemplary MOS transistor is indicated schematically in simplified form. There you can also think of a bipolar transistor or similar components such as thyristors and the like. This simplified representation is intended to ensure that the basic principle is clear without confusing details. The simplified representation is intended to co-integrate a microelectronic circuit with the nanoparticle (NP) with the
  • paramagnetic center or the plurality of paramagnetic centers represent some pathways. Functionality cannot be shown here due to the complexity of the presentation required.
  • the MOS transistor shown by way of example comprises an N-well (NW) in the planar P-substrate (Sub).
  • the indicated exemplary MOS transistor has a source region (Sr), a drain region (Dr), a source contact (SrK) for contacting the source region (Sr), a drain contact (DrK) for contacting the drain region (Dr), a gate oxide (GOX), a field oxide (FOX), a cover oxide (AOX) and a gate (GA).
  • GOX gate oxide
  • FOX field oxide
  • AOX cover oxide
  • GA gate
  • Components is the metallization stack of the microintegrated circuit, indicated by a second metal layer (M2L) which is electrically insulated and structured upwards and downwards.
  • M2L second metal layer
  • MOS, CMOS, BICMOS and bipolar structures are essential
  • microelectronic circuits The structure of the device in FIG. 8, which is used for clarification, includes exemplary micro-optical components in the form of
  • exemplary fiber optic cables LWL1, LWL2.
  • these are intended to interact with a color center (FZ) and a nanoparticle (NP).
  • the nanoparticle (NP) can preferably be a nanodiamond with an NV center as a color center (FZ).
  • the nanoparticle (NP) has been placed in the recess of the second trap structure (FS2) by means of the guide structure (LS) and the first trap structure (FS2).
  • the colloidal lacquer (KL) covers the surface of the conductive structure (LS) and the trap structure (FS1, FS2)
  • the carrier material (TM) of the colloidal paint (KL) must be sufficiently transparent for the radiation of the color center (FZ) to be used and, if necessary, for the pump radiation of a pump light source.
  • the second catch structure (FS2) is preferably filled with the carrier material (TM) of the colloidal varnish (KL).
  • the layer of colloidal lacquer (KL) has been limited photolithographically to the area of the capture structure (FS) and the guide structure (LS). This has the advantage that e.g. electrical contacts of the integrated circuit can preferably be exposed again more easily.
  • the exemplary device which is described here for clarification, has a first optical waveguide structure (LWL1), the material of which can be, for example, a sputtered Si0 2 material or the material of another transparent oxide that is applied to the surface of the planar substrate (Sub) has been.
  • a first optical waveguide structure (LWL1) was preferably structured photolithographically and, for example, covered at the top with a first section of a second metal screen (oMS1).
  • LWL2 second optical waveguide structure
  • an exemplary light source is provided.
  • This consists of an exemplary MESA structure (MS), which is preferred and, for example, isolated from the planar substrate.
  • a light emitting region (LG) is fabricated in this light generating structure.
  • MS MESA structure
  • LG light emitting region
  • such a light source with the light-emitting region (LG) is used to pump the color center (FZ) in the nanoparticle (NP) via the first optical waveguide (LWL1).
  • the color center then emits a characteristic light that of the second
  • Optical waveguide (LWL2) is collected and directed to a light-sensitive component (pG, nG) of the microelectronic circuit.
  • the exemplary photosensitive component (pG, nG) in this illustrative example consists of a PN diode which comprises an N well (nG) and a P cathode (pG).
  • FIG. 8 has been simplified to such an extent that a person skilled in the art can recognize which exemplary elements can be combined and how and how they can interact.
  • the numerous microfluidic, micromechanical, microoptical and microelectronic functional elements known from the prior art can also be combined in similar devices using the method proposed here. For example, Bragg filters and mirror structures can be provided in the optical waveguides.
  • the system thus preferably comprises a microelectronic circuit or at least one microelectronic component, in particular a photodetector and / or a light-emitting component. More specifically, the system preferably comprises a microelectronic MOS, CMOS, BICMOS or bipolar circuit or at least one microelectronic MOS or CMOS or BICMOS or bipolar component, in particular a photodetector and / or a
  • CMOS complementary metal-oxide-semiconductor
  • CMOS photodetector e.g. a CCD pixel or a CCD pixel array and / or a light-emitting CMOS component
  • CMOS component being characterized in that it was manufactured using a CMOS technology.
  • the microelectronic circuit is preferably manufactured at least in part using MOS or CMOS or BICMOS or bipolar technology.
  • the microelectronic circuit preferably also comprises, for example, a voltage regulator for supplying the microelectronic circuit and, if applicable, its subcomponents and / or for supplying a pump light source for exciting the photoluminescence of the color center.
  • a suitable micro-optical system must be able to stimulate the color center (FZ) on the one hand and be able to detect the luminescent light of the color center (FZ) and reliably separate it from the light from the pump light source on the other.
  • FZ color center
  • Optical filters and fiber optic cables are particularly important here.
  • the proposed method thus preferably comprises a step for performing a method for producing micro-optical components on the semiconductor substrate.
  • Color center can be manufactured directly on the wafer, or it is a material made of a semiconductor with an indirect transition, such as silicon or as a semiconductor substrate Diamond, used. With regard to the generation of light sources in diamond, reference is made here to the following document:
  • a quantum technological, micro-electro-optical or photonic or micro-electronic system in MOS, CMOS , BICMOS or bipolar technology, or another suitable wafer manufacturing technology Said system then comprises a substrate (sub), which can be manufactured in particular from an indirect semiconductor such as silicon and has a surface (OF).
  • the substrate (sub) preferably has a silicon avalance-based light-emitting diode or a PN + P structure or an NP + N structure or a semiconducting MESA structure (MESA) for generating light.
  • MESA semiconducting MESA structure
  • the MESA structure is preferably insulated from the substrate and has a first area (E) of the MESA structure (MESA), a second area (B) of the MESA structure (MESA) and a third area (C) of the MESA structure (MESA).
  • the quantum technological, micro-electro-optical or photonic or micro-electronic system has at least one, preferably several nanoparticles (NP) with at least one, but preferably one
  • Functional element in particular an optical waveguide (LWL2) which is manufactured in the substrate (Sub) or on the surface (OF) of the substrate (Sub) preferably couples the said light-emitting components in or on the substrate (Sub) with one or more color centers, so that they can be pumped or otherwise optically manipulated.
  • the substrate (sub) then comprises the micro-optical functional element (LWL2).
  • the optical waveguide is wholly or largely connected firmly to the substrate in its longitudinal extension.
  • the first area (E) and the third area (C) of the MESA structure that may be used preferably have a first conductivity type.
  • the second area (B) of the possibly used MESA structure preferably has a second conductivity type which is different from the first conductivity type and the second area (B) is arranged between the first area (E) and the second area (C).
  • the MESA structure (MESA) is preferably a PNP or NPN MESA structure, the width of the second area (B) preferably being less than 3pm and / or less than 1pm and / or less than 500nm and / or smaller than 200 nm and / or smaller than 100 nm and / or smaller than 50 nm and / or smaller than 25 nm and / or smaller than 10 nm. If the doping is sufficiently high, the second region (B) is then suitable for emitting light when a sufficiently high electrical voltage is applied.
  • a coupling with an optical functional element then documents that the MESA structure is intended to emit light.
  • the light emitted by the second area (B) then interacts with a color center (FZ) of the nanoparticle (NP) by means of said micro-optical functional element (LWL2).
  • Another possibility is to manufacture the light sources as nanoscopic LEDs, for example, and to place them in separate work steps such as nanoparticles (NP).
  • LEDs very small light-emitting diodes or PN junctions
  • Such LEDs are referred to below as nanoscopic LEDs or nano-LEDs.
  • nano-LEDs are thus nanoparticles (NP), preferably nanocrystals, with a particle size of less than 1pm and / or better less than 500 nm and / or better less 250 nm and / or better less 100 nm and / or better less 50 nm and / or better smaller than 25 nm and / or better smaller 10 nm and / or better smaller 5 nm and / or better smaller 2.5 nm and / or smaller lnm.
  • NP nanoparticles
  • LED dust is particularly suitable for building photonic systems.
  • nanoscopic LEDs Carry out light-emitting components on the semiconductor substrate, the placement of nanoscopic LEDs by means of a colloidal lacquer (KL), which includes such nanoscopic LEDs as particles, is also such a manufacturing step.
  • the colloidal paint (KL) is converted into a colloidal film (FM) that fixes the nano-LEDs.
  • the planar substrate (sub) is preferably a semiconductor substrate or a silicon wafer or a GaAs wafer or a wafer made from a III / V material or a wafer made from II / VI material or from a wafer treated by means of band gap engineering or a diamond wafer or a Ge wafer or another wafer made of a mixed semiconductor or a part of such a wafer.
  • a quantum technological, micro-electro-optical or photonic system which has a planar substrate (sub), in particular a
  • a microelectronic circuit preferably using MOS, CMOS, BICMOS, or bipolar technology, is typically manufactured in and / or on the semiconductor material.
  • the microelectronic circuit here preferably comprises a plurality of components such as transistors, diodes, resistors, capacitors, light-sensitive and possibly light-emitting electronic components
  • Such a light-sensitive component of the said microelectronic Circuit for example, to detect a fluorescence of the color center of the nanoparticle (NP), which is preferably a diamond with an NV center, can for example be a PN diode as a light-sensitive electrical component (nG, pG) that is part of the microelectrical circuit.
  • a light-emitting component can, for example, be a MESA structure, as described here.
  • the quantum technological, micro-electro-optical or photonic system preferably comprises a partial area of a colloidal film (FM) or colloidal lacquer (KL), which has at least one nanoparticle (NP) with a color center (FS). (See Figure 8).
  • the quantum technological, micro-electro-optical or photonic system preferably comprises at least a partial area of a colloidal film (FM) or colloidal lacquer (KL) has one or more nanoparticles that are ferromagnetic or have a ferromagnetic partial device and, if necessary, can interact with the color center of the nanoparticle (NP) by means of their magnetic field.
  • a colloidal film (FM) or colloidal lacquer (KL) has one or more nanoparticles that are ferromagnetic or have a ferromagnetic partial device and, if necessary, can interact with the color center of the nanoparticle (NP) by means of their magnetic field.
  • One or more subregions of the optionally several colloidal films (FM) are preferably produced by means of one of the methods described above.
  • the nanoparticles (NP) are diamond nanocrystals with a crystal size smaller than 1pm and / or better smaller 500 nm and / or better smaller 250 nm and / or better smaller 100 nm and / or better smaller 50 nm and / or better less than 25 nm and / or better less than lOnm and / or better less 5 nm and / or less, better 2.5 nm and / or better less lnm.
  • the color center is preferably an NV center in a diamond nanocrystal or an SiV center in a diamond nanocrystal or an H3 center in a diamond nanocrystal.
  • a variant is particularly preferred in which the planar substrate (sub) or the semiconductor substrate is a microelectronic circuit, in particular a
  • microelectronic circuit in MOS, CMOS, BICMOS, or bipolar technology.
  • a microelectronic circuit which is typically manufactured in the planar substrate (sub), preferably comprises a plurality of microelectronic components, such as MOS transistors, bipolar transistors, diodes, resistors, capacitors, coils and possibly others
  • the planar substrate (sub) preferably comprises at least one micro-optical functional element, e.g. one
  • the planar substrate (sub) also has the photosensitive electrical Component (nG, pG) in order to preferably detect a luminescence of the color center (FZ) by means of this light-sensitive electrical component (pG, nG).
  • At least one operating parameter of the microelectronic circuit for example the value of a control signal within the microelectronic circuit, then typically depends on a value of the intensity of the fluorescence of the color center (FZ) detected by the light-sensitive component (pG, nG).
  • the color center (FZ) is preferably coupled to the light-sensitive electrical component (pG, nG) via the micro-optical functional element (LWL1).
  • LWL1 micro-optical functional element
  • Such a quantum technological, micro-electro-optical or photonic or micro-electronic system can, however, also be based on a planar substrate (Sub) are made of a direct semiconductor material. This has the advantage that the light yield of the light-emitting components of the system is higher and thus better
  • Color center and the intensity of fluorescence of the color center in the magnetic flux density with the minimum fluorescence intensity of the color center Preferably ground then
  • Substrate materials of the planar substrate (Sub) are used, in which a semiconductor material of the substrate can be a III / V semiconductor material and / or an II / VI semiconductor material or a semiconductor material produced by bandgap engineering.
  • the substrate material does not have to be homogeneous, but can consist of different materials.
  • the system then comprises a microelectronic circuit that is part of the substrate (Sub), and an electrical component that is part of the microelectric circuit, and a micro-optical subdevice (LWL1, LWL2) that is part of the substrate (Sub), and a or several nanoparticles (NP), which can be diamonds, with one or more color centers (FZ), which can each be one or more NV centers in the diamond or diamonds.
  • LWL1, LWL2 micro-optical subdevice
  • NP nanoparticles
  • FZ color centers
  • the planar substrate (sub) thus comprises the microelectronic circuit and the electrical component and the micro-optical device (LWL1, LWL2).
  • the special feature of the system is that it has at least one light-emitting electro-optical component (MS) that is part of the substrate (Sub) or is manufactured on the surface of the substrate (Sub), the planar substrate (Sub) being the light-emitting component ( MS) comprises and wherein the light-emitting electro-optical component (MS) with the
  • micro-optical sub-device (LWL1, LWL2) interacts optically.
  • the light-emitting electro-optical component (MS) interacts with the electrical component electrically and / or optically in a direct or indirect manner by means of the micro-optical sub-device (LWL1, LWL2).
  • This interaction between the light-emitting electro-optical Component (MS) with the electrical component takes place with the cooperation of the color center (FZ) or a plurality of color centers of the color centers (FZ).
  • the planar substrate (sub) is therefore preferably a semiconductor substrate, a silicon wafer or a GaAs wafer or a wafer made from a III / V material or a wafer made from II / VI material or from one that has been treated by means of band-gap engineering Wafer or a diamond wafer or a Ge wafer or another wafer made from a mixed semiconductor.
  • the substrate can also comprise an LED or a laser.
  • the quantum technological, micro-electro-optical or photonic system preferably comprises at least one micro-optical element.
  • the micro-optical element is suitable or intended to fulfill at least the function of one of the following micro-optical elements:
  • Color centers usually interact with magnetic fields. It is therefore useful if the device has at least one functional element of a magnetic circuit and / or one
  • ferromagnetic part device or a ferromagnetic part structure.
  • This can be a microscopic or nanoscopic permanent magnet, which is optionally integrated, for example, into the metallization stack of the said MOS, CMOS, BICMOS or bipolar circuit.
  • Said ferromagnetic partial device or partial structure is preferably part of a magnetic circuit.
  • the quantum technological, micro-electro-optical system preferably has an excitation device, for example a flat coil produced in the metallization stack, which is suitable for magnetic excitation in the magnetic circuit to evoke.
  • the magnetic part device is preferably manufactured by depositing a ferromagnetic layer and then photolithographic structuring.
  • the amount and / or the direction of the magnetic excitation Fl generated by the excitation device in the magnetic circuit preferably depends on an operating state parameter of the electronic circuit, i.e. preferably the MOS, CMOS , BICMOS or bipolar circuit.
  • an operating state parameter of the electronic circuit i.e. preferably the MOS, CMOS , BICMOS or bipolar circuit.
  • Such a quantum technological, micro-electro-optical system typically has a light-sensitive component (pG, nG).
  • the light-sensitive is then preferred
  • Component (pG, nG) suitable and / or intended to detect a luminescence of the color center (FZ). For example, if a system according to the said at the time of
  • At least one operating parameter of the microelectronic circuit typically depends on a value of the luminescence of the color center (FZ) detected by the light-sensitive component (pG, nG).
  • the color center (FZ) is preferred for this through various optical elements on the one hand with a pump light source (MS) via an optical wave connection of several optical components (NP, KL, LWL2) and on the other hand with the light-sensitive component (pG, nG) via another Optical shaft connection from several further optical components (NP, KL, LWL1) coupled.
  • the integrated MOS circuit or CMOS circuit or BICMOS circuit or circuit in bipolar technology or another circuit technology disclosed here is thus characterized in that it has at least one crystalline sub-device, which is preferably mechanically firmly connected to it and which has a color center (FZ), the color center (FZ) a Functional element for the intended use of the integrated circuit is.
  • a colloidal film (FM) and / or a colloidal varnish (KL) are the preferred mechanical ones
  • one or more optical couplings e.g. through one or more micro-optical
  • Functional elements create one or more active connections between the color center (FZ) and at least one or more parts of the MOS, CMOS, BICMOS or bipolar circuit, in particular light-emitting areas (LG) and / or light-sensitive components (pG, nG).
  • the integrated CMOS circuit or MOS circuit or BICMOS circuit or circuit in bipolar technology or another circuit technology typically has one or more transistors. In the case of a BICMOS circuit, these can be bipolar transistors and / or MOS transistors. In the case of a MOS or CMOS circuit, these can be MOS transistors. In the case of a bipolar circuit, these can be bipolar transistors.
  • Substrate (Sub) flat versus flat.
  • a micromechanically structured stamp is particularly suitable here. • Printing cylinder with colloidal varnish (KL) against the surface of the planar substrate (Sub) (round against flat)
  • planar substrate (sub) to be printed is made from a flat one
  • Pressed printing plate which, as already mentioned, can be microstructured and can have microfluidic elements in particular for guiding the colloidal varnish.
  • Colloidal lacquer (KL) is transferred to the planar substrate (sub) to be printed.
  • the disadvantages of the principle are the forces required for larger areas and the limited speed. Since the planar substrate (sub) is usually a semiconductor wafer, it is very brittle, which usually requires a very homogeneous force distribution during printing. It is therefore advisable to use the
  • the contact pressure on the planar substrate (sub) to be printed occurs through the rotary movement of the printing cylinder over the printing form.
  • the printing cylinder rotates around its axis in a fixed manner, while the planar substrate (sub) is moved synchronously under it during each printing process (printing process).
  • the contact pressure is only effective within a narrow strip, namely the "tangential" contact area between the round cylinder and the flat printing form.
  • This is typically not practicable with brittle planar substrates (sub). Therefore, rubber rollers or the like will be used in these cases , which impairs the resolution of the structure of the colloidal varnish (KL) on the substrate (Sub). This enables higher printing speeds and larger formats.
  • the print image of the colloidal varnish (KL) can first be applied to an intermediate carrier.
  • the intermediate carrier is flexible and gives the colloidal varnish (KL) to the planar substrate (Sub) to be printed on. For this reason, the printed image must be right-sided when using an indirect printing process.
  • Examples of an indirect printing process are offset printing, letterset printing and pad printing. The latter in particular is particularly suitable for the intended application, since the forces are distributed homogeneously over the planar substrate (sub) when used correctly.
  • Printing processes are based on the relationship between the printing elements and the printing form, such as flat, letterpress, gravure and through printing. According to this feature, the printing processes are also differentiated in DIN 16500 into the main printing processes:
  • Letterpress image areas of the printing form are higher than non-image areas, e.g. letterpress and flexographic printing,
  • Image areas of the printing form consist of the openings of a stencil mostly on a color-permeable stencil carrier, a screen made of plastic or metal threads.
  • Non-image areas are impermeable to color, for example screen printing and risography.
  • Direct printing processes are characterized by the fact that the print image is brought directly from the printing form onto the planar substrate (sub) to be printed. Therefore, the print image must be reversed on the printing form. Examples of a direct printing process are doctor blade gravure, letterpress and flexographic printing.
  • the print image is first applied to an intermediate carrier.
  • the intermediate carrier is flexible and transfers the color to the substrate.
  • indirect methods are particularly suitable for the application of structures made of colloidal lacquer on a planar substrate (sub). For this reason, the printed image must also be the right way round in an indirect printing process. Examples of an indirect printing process are offset printing and pad printing, which is particularly recommended here.
  • microstructured printing form For example, for printing a MOS wafer or CMOS wafer or BICMOS wafer or bipolar wafer planarized on the surface by means of CM P as the planar substrate (sub), a microstructured wafer is used as the opposite printing form raised webs represent the pressure elements.
  • a device for applying the colloidal varnish (KL) in the form of a crucible press is particularly suitable.
  • the printing is flat / flat, as the flat pressure surface of the platen is pressed against the flat printing form, which is usually clamped vertically in the platen printing machine.
  • a crucible press is therefore suitable for the use of the high pressure method.
  • the planar substrate is preferably fed in wafer form, for example as a MOS wafer or CMOS wafer or BICMOS wafer or bipolar wafer.
  • the high-pressure cliché transfers the print image to a rubber blanket, the so-called rubber cylinder, which creates the reversed image that is printed by the rubber blanket onto the planar substrate (sub) paper to be printed.
  • Flexographic printing is known from letterpress printing. Flexographic printing is a newer letterpress printing process in which the printing form consists of a flexible photopolymer plate, which in the present case is preferably microstructured. The efficiency in flexographic printing can be considerably improved by using prefabricated continuous printing forms. These are specially developed plastics adapted to the intended use, for example polyimide layers on a carrier material (sleeve), for example a silicon wafer. The ones to be transferred
  • Structures can, for example, be engraved into the surface using a CO 2 laser or excimer laser. This process is also called flexo direct engraving.
  • a coated silicon wafer is preferably used for such a flexographic direct engraving and serves as a sleeve.
  • Gravure printing is a printing process in which the printing elements are transferred to the printing form by chemical or mechanical processes.
  • the depressions are preferably produced by means of microtechnological processes.
  • the printing form is colored with a relatively thin liquid colloidal lacquer and the excess ink including the excess nanocrystalline nanoparticles (NP) in the colloidal lacquer (KL) is stripped off the printing form with a squeegee.
  • NP nanocrystalline nanoparticles
  • the printing process then preferably only remains in the recessed areas of the printing form; so only these parts print.
  • the transfer of the color to the planar substrate takes place by means of high contact pressure, which must therefore have a certain flexibility.
  • This method is therefore less suitable for printing MOS wafers or CMOS wafers or BICMOS wafers or bipolar wafers.
  • the amount of varnish applied for a structuring area is determined by the depth of the depressions on the printing form between the raised structures. A vertical structuring of the printed structures produced is thus also possible in this way.
  • the printing and non-printing areas are on the same level.
  • hydrophobic and hydrophilic areas are preferred on the printing form by a suitable one
  • the selected carrier material can be dissolved in a solvent (LM), here for example water.
  • LM solvent
  • the non-printing areas are coated with a grease film or conditioned accordingly by a plasma treatment and subsequently repel the printing ink, which is water-based here.
  • the printing parts will take on the colloidal varnish (KL).
  • the non-printing areas do not accept the colloidal varnish and repel the colloidal varnish in the printing process.
  • Screen printing is particularly important for the technical teaching presented here, in which the colloidal varnish (KL) is pressed with a wiper-like tool, preferably a rubber squeegee, through a fine-meshed textile fabric or a template onto the planar substrate (sub) to be printed.
  • the printing form of the screen printing consists of a frame that is covered with a fabric made of metal or plastic.
  • the fabric carries a stencil made of plastic or metal, for the production of which the entire surface of the tensioned fabric is coated with a photopolymer and exposed to the motif to be printed via a positive film.
  • the photopolymer hardens in the non-printing areas and the unexposed material is washed out.
  • the printing ink only passes through the fabric where it has been washed free.
  • a silicon wafer perforated by microstructuring can also be used as a printing stencil.
  • Screen printing is a direct printing process. During the printing process, there is a small gap of a few ⁇ m to a few millimeters between the printing form and the planar substrate (sub), which is necessary to enable the so-called jump. This gap should ideally be Om, but this cannot usually be achieved.
  • This screen jump height is locally and temporarily canceled where the squeegee presses the screen down so far that the stencil rests on the printing material. At this point, the contours are sealed and the colloidal varnish is transferred to the planar substrate (sub). If the squeegee continues to move, the fabric that has just been coated with the stencil is raised again.
  • stencil printing is more suitable for applying the colloidal varnish (KL) to the planar substrate (Sub).
  • KL colloidal varnish
  • the use of micro-structured printing templates is particularly advantageous. For example, wafers perforated using microstructure technology can be used as printing stencils.
  • Pad printing is an indirect squeegee gravure printing and is also particularly suitable for applying the colloidal varnish to the planar substrate (sub).
  • the template is transferred from a surface (gravure form) onto the planar surface using a tampon, for example made of porous silicone rubber Transfer substrate (sub). It can thus also be applied to uneven planar substrates, for example non-planarized silicon wafers with electronic structures and / or micro-optical and / or already formed microfluidic functional elements. This is of particular advantage since the pad printing can thus be used to place the nanocrystalline nanoparticles (NP) in the microfluidic functional elements (FS2).
  • NP nanocrystalline nanoparticles
  • FS2 microfluidic functional elements
  • Stamp printing is a flexographic printing process and as such can be assigned to floch printing.
  • the stamp is preferably made elastic.
  • colloidal lacquer by means of an inkjet print or a suitable dispenser with x-y coordinate control.
  • One such printable quantum electronic component comprises a planar substrate (Sub) and a structured colloidal film (FM) as a result of the printing process.
  • this can be a structured gelatin film which comprises diamond nanocrystals with NV color centers.
  • the colloidal film (FM) which is created through the structuring and hardening of the colloidal varnish (KL), thus includes nanoparticles (NP) as an essential feature. At least some of the nanoparticles (NP) or all of the nanoparticles (NP) preferably have one or more color centers. For the purposes of this document, however, the nanoparticles (NP) can also be nano-LEDs.
  • the structured colloidal film (FM) is preferably printed on the planar substrate (Sub).
  • Other electrical and / or photonic functional elements are preferably also printed or manufactured on the substrate (sub). These other electrical and / or photonic functional elements that are printed or manufactured on the substrate (sub) are preferably one or more of the following functional elements:
  • NP nanoparticles
  • FZ color centers
  • the method begins again with the provision of a planar substrate (Sub).
  • the substrate is again, for example, a silicon wafer and / or a wafer made of a different material and / or a differently suitable material that can be printed in the following process.
  • the method preferably comprises the production of a typically integrated circuit at a point in time in the method.
  • the circuit can also consist of discrete components that are attached to the substrate.
  • the planar substrate (Sub) then comprises at least one electronic circuit made of at least two electrical components at the end of the method, which is mechanically fixed on the planar substrate (Sub) or in the planar substrate (Sub).
  • This circuit preferably comprises at least one MOS transistor and / or one Bipolar transistor.
  • a line is an electrical component, so that a circuit made up of a line and a second component, for example a resistor or a
  • the printing process like the spin coating process that was explained above, includes the provision of a colloidal lacquer (KL) in the form of a colloidal solution of nanoparticles (ND) in a carrier (TM) and possibly a solvent (LM).
  • KL colloidal lacquer
  • ND nanoparticles
  • TM carrier
  • LM solvent
  • at least some of the nanoparticles (NP) or all of the nanoparticles (NP) preferably have one or more color centers (FZ).
  • the nanoparticles (NP) can also be nano-LEDs. What has been written above about this point also applies here in an analogous manner.
  • the colloidal solution, the colloidal varnish (KL) is mixed together in such a way that it can wet at least parts of the planar substrate (sub).
  • structured printing or lacquering or coating or local wetting of the planar substrate (Sub) with the colloidal solution, the colloidal lacquer (KL), is preferably carried out in order to create a structured colloidal film (FM) on a surface (OF) of the planar substrate ( Sub).
  • FM structured colloidal film
  • OF surface of the planar substrate ( Sub)
  • pad printing and / or stencil printing and / or screen printing and / or nano-imprint printing methods can be used as printing methods.
  • the person skilled in the art will certainly be able to identify further methods which are suitable for printing from the large number of methods known in the prior art.
  • the nanoparticles (NP) are preferably particles with a particle size of less than 1pm and / or better less than 500 nm and / or better less than 250 nm and / or better less 100 nm and / or better less 50 nm and / or better less 25 nm and / or better less 10 nm and / or better less 5 nm and / or better less 2.5 nm and / or better less lnm.
  • the nanoparticles (NP) are again diamond nanocrystals with a crystal size smaller than 1pm and / or better smaller 500 nm and / or better smaller 250 nm and / or smaller, better 100 nm and / or better smaller 50 nm and / or better smaller 25 nm and / or better smaller 10 nm and / or better smaller 5 nm and / or better smaller 2.5 nm and / or better smaller lnm.
  • the nanoparticles (NP) can be silicon nanocrystals with a
  • the nanoparticles (NP) can also be nanocrystals from a direct
  • the nanoparticles can also be nanocrystals made of an III / V or II / VI semiconductor material or a mixture of the same with a crystal size of less than 1pm and / or better less than 500 nm and / or better less than 250 nm and / or better less than 100 nm and / or better less than 50 nm and / or better less 25 nm and / or better less 10 nm and / or better less 5 nm and / or better less 2.5 nm and / or better less lnm.
  • the nanoparticles (NP) can also be nanocrystals with a crystal size of less than 1pm and / or better less than 500 nm and / or better less than 250 nm and / or better less 100 nm and / or better less 50 nm and / or better less than 25 nm and / or better to be less than 10 nm and / or better to be less than 5 nm and / or better to be less than 2.5 nm and / or better to be less than 1 nm.
  • the nanoparticles (NP) can be nano-LEDs with a crystal size of less than 1pm and / or better less than 500 nm and / or better less than 250 nm and / or better less 100 nm and / or better less 50 nm and / or better less 25 nm and / or better smaller 10 nm and / or better smaller 5 nm and / or better smaller 2.5 nm and / or better act smaller lnm.
  • a color center of the color centers can be, for example, an NV center in a diamond crystal and / or an SiV center in a diamond crystal and / or an H3 center in a diamond crystal.
  • ridges and trenches, etc. for the purpose of influencing the paint flow.
  • microfluidic functional elements LS, FS, FS1, FS2
  • LS, FS, FS1, FS2 are therefore preferably provided and / or suitable for forming a structured colloidal film (FM) on a surface (OF.) While the planar substrate is being printed with the colloidal lacquer (KL) ) of the planar substrate (Sub) to enter into mechanical or fluid mechanical interaction with one or, if necessary, several of the nanoparticles (NP).
  • an essential criterion for the substrate (sub) is that, apart from oxides and metallizations etc., it is at least partially electrically semiconducting.
  • planar substrate (sub) therefore preferably comprises a semiconductor wafer and / or
  • planar substrate (sub) is a semiconductor substrate, it makes sense in the sense of co-integration, a method for producing electronic components on the semiconductor substrate and / or for producing electronic MOS, CMOS, BICMOS or bipolar components on the
  • Semiconductor substrate preferably to be carried out before printing and / or lacquering and / or coating and / or local wetting with the colloidal varnish (KL).
  • micro-optical functional elements preferably serve the purpose of directing the light from the pump light sources onto the semiconductor substrate.
  • LWL1, LWL2 optical waveguides
  • filters for example Bragg filters
  • microfluidic functional elements in addition to the possible function of the possibly necessary supply of fluids to be measured in later operation, the function of influencing the flow of the colloidal paint (KL) and thus the movement of the nanoparticles (NP) during the printing and / or during the lacquering and / or coating.
  • One of the functions can be to increase the probability that a nanoparticle (NP) will be in a predetermined area (e.g. FS2 in FIG. 8) relative to a micro-optical element (e.g. LWL1 and LWL2 in FIG. 8) after the end of the Printing process and / or varnishing process and / or coating process is located. This is the only way to ensure that an interaction between the micro-optical element (LWL1, LWL2) and the color center (FZ) of the nanoparticle (FZ) is guaranteed. It is therefore important to typically use one
  • microfluidic functional element (LS, FS1, FS2) is functionally related to at least one micro-optical functional element (LWL1, LWL2), which was also manufactured using this method.
  • the functional relationship is only in the synopsis of the control of the placement with the achieved optical coupling of the
  • Color center (FZ) with the micro-optical element (LWL1, LWL2) results. If everything is correctly dimensioned, the relevant micro-optical functional element (LWL1, LWL2) is optically with at least the relevant color center (FZ) of the relevant nanoparticle (NP) - here the nanoparticle trapped in the microfluidic functional element (FS2) with its color center ( FZ) - in interaction.
  • microfluidic functional element picks up a nano-diamond as a nanoparticle (NP) with an NV color center as the color center (FZ) in a recess and, as a result of the forced positioning of the color center (FZ) in relation to an optical functional element, for example a coupling structure for an optical waveguide (LWL1, LWL2), such an optical coupling between nanodiamonds and optical waveguide (LWL1, LWL2) enforces.
  • an optical functional element for example a coupling structure for an optical waveguide (LWL1, LWL2), such an optical coupling between nanodiamonds and optical waveguide (LWL1, LWL2) enforces.
  • Such a micro-optical functional element - here the optical waveguide (LWL1, LWL2) as an example - is then suitable and / or provided, optically with at least the relevant color center (FZ) of the relevant nanoparticle (NP) - here the one in the microfluidic functional element (FS2) trapped nanocrystal with its color center (FZ) - to interact.
  • the nanoparticle (NP) is preferably a nanodiamond crystal with an NV Center or around a nano-LED, the active layer of which can then be coupled with the said optical waveguide (LWL1) as an example.
  • FS2 microfluidic component
  • FZ color center
  • Nanocrystals with a micro-optical component can interact.
  • Such a quantum technological and / or micro-electro-optical and / or microelectronic and / or photonic system preferably comprises a semiconductor crystal as a planar substrate (sub) and a further crystal, preferably in the form of a nanoparticle (NP) in the form of a nanocrystal, the semiconductor crystal, thus comprises the planar substrate (Sub), a MOS circuit or a CMOS circuit, a BICMOS circuit or a bipolar circuit or another microelectronic circuit and wherein the further crystal has at least one color center (FZ) and the further crystal is mechanically connected to the semiconductor crystal, that is to say the planar substrate (Sub), in particular by a colloidal film (FM) and / or a colloidal lacquer (KL), preferably directly.
  • a semiconductor crystal as a planar substrate (sub) and a further crystal, preferably in the form of a nanoparticle (NP) in the form of a nanocrystal
  • the semiconductor crystal thus comprises the planar substrate
  • the further crystal is thus mechanically attached to the semiconductor crystal, that is to say the planar substrate (Sub), in particular by the said colloidal film (FM) and / or the said colloidal lacquer (KL).
  • the special thing is that there is an operative connection between the color center (FZ of the further crystal and at least a part of the MOS circuit, the CMOS circuit, the BICMOS circuit or the bipolar circuit or others
  • the microelectronic circuit of the semiconductor crystal i.e. the planar substrate (Sub). How this can be manufactured has been explained above.
  • the further crystal is preferably a
  • the further crystal is preferably a diamond crystal and that at least one color center (FZ) is an NV color center and / or an FI3 center or the further crystal is a diamond crystal and the at least one color center (FZ) is a SiV color center.
  • the MOS circuit, the CMOS circuit, the BICMOS circuit, the bipolar circuit or another microelectronic circuit of the semiconductor crystal (sub) preferably comprises a light-sensitive component (nG, pG), for example a photodiode, which, for example, with the color center ( FZ) of the further crystal can interact, and / or a light-emitting component, such as the M ESA structure (MS) described above by way of example, which, for example, can also interact with the color center (FZ).
  • a light-sensitive component nG, pG
  • FZ color center
  • MS M ESA structure
  • the operative connection between the MOS circuit, the CMOS circuit, the BICMOS circuit, the bipolar circuit or the other microelectronic circuit of the semiconductor crystal (Sub) on the one hand and the color center (FZ) is therefore an optical and / or electromagnetic and / or electronic operative connection.
  • the MOS circuit, CMOS circuit, BICMOS circuit, bipolar circuit or other microelectronic circuit of the semiconductor crystal (sub) preferably has an electromagnetic component, in particular a magnetic field generating component, for example a flat coil, and / or an electric field generating component, for example the electrode of a capacitor.
  • an electromagnetic component in particular a magnetic field generating component, for example a flat coil, and / or an electric field generating component, for example the electrode of a capacitor.
  • This can be used, for example, to influence the optical properties of the color center (FZ).
  • an electrode this is preferably made of an electrically conductive material that is essentially transparent for the pump radiation of the color center (FZ) and / or the fluorescent radiation of the color center (FZ).
  • the electrode is preferably made of indium tin oxide (ITO) or a similar material.
  • ITO indium tin oxide
  • the color center of the further crystal (for example an NV center of a diamond nanocrystal) can thus interact with an electromagnetic wave which has passed through such a transparent electrode.
  • the color center of another crystal can also be used
  • the color center (FZ) is preferably placed in the vicinity of an edge of the transparent electrode, since the tip effect increases the field strength at the edge of the transparent electrode and the color center can thus be more strongly influenced.
  • This electromagnetic component for example said transparent electrode and / or said flat coil, is therefore preferably intended and / or suitable for changing physical parameters, in particular optical parameters of the color center (FZ).
  • the MOS circuit, CMOS circuit, BICMOS circuit, bipolar circuit or other microelectronic circuit of the semiconductor crystal (sub) is an electromagnetic component, in particular a magnetic field generating component and / or an electrical Field-generating component includes and that this
  • electromagnetic component is intended and / or suitable, physical parameters, in particular optical parameters of the color center (FZ) depending on the states of the MOS circuit, CMOS circuit, the BICMOS circuit, the bipolar circuit or others
  • the MOS circuit, the CMOS circuit, the BICMOS circuit, the bipolar circuit are then enabled to change the state of the color center (FZ).
  • the MOS circuit or the CMOS circuit or the BICMOS circuit or the bipolar circuit preferably evaluates the state of light-sensitive sensors (nG, pG), which depends on the light emission of the color center (FZ). It is also useful if the MOS circuit or CMOS circuit, or the BICMOS circuit, or the bipolar circuit can control the radiation of electromagnetic waves into the color center (FZ).
  • electrodes which in particular can be made of ITO or similar materials, and / or device parts that generate magnetic fields, which are intended to detect and / or influence the interaction of the at least two color centers (FZ).
  • electrostatic fields can be used for the
  • the invention also comprises a carrier material (TM) for use in a method for producing a quantum technological, micro-electro-optical or microelectronic or photonic system, wherein the carrier material (TM) is intended that a nanoparticle (NP), in particular a nanocrystal and / or a nanoscopic device in which the carrier material (TM) is embedded.
  • the nanoparticle (NP) has at least one color center (FZ) with at least one characteristic electromagnetic wavelength and / or at least one
  • An NV center in a diamond for example, has two characteristic wavelengths: a green pump wavelength, with which the NV center is irradiated in order to excite it, and a green fluorescence wavelength, with which the NV center is dependent on the magnetic flux density B am
  • the location of the NV center is fluorescent.
  • the carrier material (TM) attenuates the electromagnetic radiation of the at least one characteristic wavelength of the at least one color center (FZ) and / or the at least one resonance wavelength by no more than 50% and / or better no more than 25% and / or better no more than 10% and / or better no more than 5% when this electromagnetic radiation passes through a distance of 1 mm of the cured carrier material (TM) (e.g. in the form of said colloidal Films).
  • the carrier material (TM) is preferably gelatin.
  • a nanoparticle (NP) which is a nanodiamond with an NV center (NV), or one of the other presented nanoparticles (NP) fits this.
  • a quantum technological or microelectronic or microoptical or photonic system has a planar substrate (Sub) with a portion of a colloidal film (FM) that has at least one nanoparticle (NP) with a color center (FZ).
  • the nanoparticle (NP) is provided with a partial device in the form of an alignment aid (Fe), which allows alignment and / or positioning of the nanoparticle (NP) and / or the alignment of at least one axis of the nanoparticle (NP).
  • the planar substrate (Sub) is preferably provided with a partial device in the form of a catching device (Fa) which allows alignment and / or positioning of the nanoparticle (NP) and / or the alignment of at least one axis (AS) of the nanoparticle (NP).
  • the nanoparticle (NP) is preferably a nanocrystal.
  • the axis (AS) is preferably a crystal axis of the nanocrystal.
  • the alignment aid (Fe) is preferably a ferromagnetic substructure of the nanoparticle (NP).
  • the safety device (Fa) is preferably a ferromagnetic substructure of the planar substrate (Sub).
  • the alignment aid (Fe) is preferably suitable and provided for exerting a translational force on the nanoparticle (NP) by means of a field.
  • the catch device (Fa) is preferably suitable and / or provided by means of the
  • the nanoparticle (NP) preferably has two alignment aids (Fe) and / or one alignment aid (Fe).
  • the two alignment aids (Fe) and / or the one alignment aid (Fe) are preferably suitable and / or provided for exerting a torque on the nanoparticle (NP) at least temporarily.
  • the safety device (Fa) is preferably suitable and / or provided for exerting a torque on the nanoparticle (NP) by means of the alignment aid (Fe) and a field. This preferably generates the
  • Catch device (Fa) and / or the alignment aid (Fa) generates a magnetic and / or electrostatic and / or other electromagnetic field. They prefer to practice
  • the safety gear (Fa) and the alignment aid (Fe) interact with one another.
  • the safety device (Fa) is preferably suitable and / or intended to influence the placement and / or alignment of the nanoparticle (NP) by means of an interaction between the safety device (Fa) and the alignment aid (Fe).
  • FIG. 10 shows an exemplary nanoparticle (NP) with a color center (FZ).
  • the nanoparticle (NP) is cuboid. Its three side lengths are preferred from one another
  • the cube of the nanoparticle (NP) is provided with two of the aforementioned alignment aids (Fe) at two opposite ends. These are preferably permanent magnetic substructures, for example ferromagnetic iron or niobium layers, which are suitably premagnetized.
  • the nanoparticle (NP) is preferably a nanocrystal, for example a nanodiamond crystal.
  • the cuboid axis (AS) preferably coincides with a crystal lattice axis of the nanocrystal.
  • the color center (FZ) is preferably produced in this cuboid axis (AS) by means of single ion implantation. In the case of a nanodiamond crystal, the color center is preferably an NV center.
  • the other nanoparticles (NP) already mentioned and in particular the nano-LEDs are particularly pointed out here.
  • the Alignment aids (Fe) as in the case of iron niobium are electrically conductive, they can, for example after coating with a corrosion protection, for example by means of
  • Gold coating for the electrical contacting of electrically functional nanoparticles (NP) are used.
  • the substrate of FIG. 11 in contrast to FIG. 8, has two catching devices (Fa) which, in cooperation with the alignment aids (Fe) of the nanoparticle, ensure suitable alignment of the nanoparticle (NP) in a predefined manner by translational forces and / or torques.
  • a planar substrate (sub) for depositing the nanoparticles (NP) is provided.
  • Step a of Figure 4 It is advantageous to initially grow the nanoparticles (NP), as shown in FIG. 4, as nanocrystals with a predefined crystal orientation on a carrier material, here an exemplary deposition substrate (W).
  • W exemplary deposition substrate
  • it can be, for example, a diamond layer (D) on a silicon wafer as a deposition substrate (W), which in the following process step (step b of FIG. 4), for example by plasma deposition on the silicon wafer as Deposition substrate (W) is deposited.
  • Various methods for producing oriented diamond layers on silicon wafers are known from the literature.
  • the functional layer (D) is preferably structured. This can be done for example by plasma etching and / or wet chemical etching and / or gas phase etching, etc.
  • the structuring can optionally also take place during the deposition and / or after the deposition and before the production of the color centers (FZ).
  • the produced nanoparticles (NP) are detached from the wafer (W), preferably by undercutting the material of the wafer (W) in the area of the nanoparticles (ND).
  • the nanoparticles are now preferably provided with an alignment aid, for example in the form of a ferromagnetic substructure, before they are detached (step f of FIG. 9).
  • an alignment aid for example in the form of a ferromagnetic substructure
  • This can be done, for example, by depositing an iron layer as an alignment aid (Fe) on the layer (D) (step d of FIG. 9).
  • the deposition of a flaft mediation layer is also necessary.
  • Such a partial structure can also be produced by focused ion implantation, for example of iron.
  • a gold layer or the like is preferably deposited and structured on the iron layer together with a flaft layer between the iron layer and gold layer.
  • the alignment aids (Fe) can preferably interact mechanically and / or magnetically and / or electrostatically and / or electromagnetically with the catching devices (Fa) of the planar substrate (Sub), which will be explained later.
  • the nanoparticles (NP) are typically also positioned on the wafer (W) by means of a structuring process (step e of FIG. 9).
  • nanoparticles (NP) are typically detached from the wafer (W) again (step f of FIG. 9).
  • nanoparticles (NP) prepared in this way can then be used on a planar substrate (Sub), which preferably has catching devices (Fa) which are connected to said
  • Alignment tools interact with the nanoparticles (NP).
  • the nanoparticles (NP) and the alignment aids (Fe) are designed so that the thickness of the nanoparticles (NP) is so great that a force between the alignment aids (Fe) of two nanoparticles for one
  • the agglomeration is too small or that the alignment aid (Fe) of the nanoparticles (NP) of two nanoparticles (NP) repel each other on direct contact.
  • Lacquer which has at least one nanoparticle (NP) with a color center (FZ), in particular also by lacquering and / or printing and / or spraying and / or local wetting and / or coating;
  • Functional elements of the planar substrate (Sub) e.g. optical functional elements such as fiber optic cables (LWL1, LWL2).
  • the additional step of aligning and / or positioning the nanoparticle (NP) by means of a magnetic and / or electrical and / or other electromagnetic field by interaction with the alignment aid (Fa) then results as a further process step.
  • one or preferably more catching structures (Fa), which can interact with the alignment aids (Fe) of the nanoparticles (NP) are preferably produced on the planar substrate (Sub) before the colloidal lacquer (KL) is applied.
  • the nanoparticles (NP) in the colloidal lacquer (KL) are preferably nanocrystals. An axis (AS) of such a nanocrystal becomes through such a
  • Snapping structure (Fa) aligned, the axis (AS) that is aligned is preferably a
  • the alignment aid (Fa) is particularly preferably manufactured as a ferromagnetic partial structure of the nanoparticle (NP), since such ferromagnetic substructures in planar technology are easy to manufacture before the nanoparticles (NP) are detached from an auxiliary carrier.
  • Nanoparticles which have a color center (FZ) and an alignment aid (Fe), over the planar substrate (Sub).
  • TM carrier means
  • KL colloidal lacquer
  • Safety device (Fa) of the planar substrate (Sub) is generated. It is of course conceivable to generate the fields in the turntable of a spin coater (SC) instead of such catching devices (Fa) of the planar substrate. For the purposes of this disclosure, such field-generating devices should also be viewed as catching devices (Fa) of the planar substrate (Sub).
  • the proposed method therefore preferably also includes the step of generating a field that interacts with the alignment aid (Fe) of the nanoparticle (NP) by a
  • the nanoparticles (NP) have a more or less rectangular needle shape ( Figure 10), the needle shape being predetermined by a nanocrystal that is part of the respective nanoparticle (NP).
  • the nanoparticle (NP) has two ferromagnetic areas at its ends as an alignment aid (Fe).
  • FIG. 10 such a nanoparticle (NP) is shown schematically as an example in a top view and side view.
  • FIG. 11 corresponds to FIG. 8, which is now intended to clarify the interaction between the nanoparticle (NP) and the planar substrate (Sub).
  • An exemplary CMOS wafer is again used as an exemplary planar substrate (sub), but which is now equipped with, for example, ferromagnetic catching devices (Fa).
  • Fa ferromagnetic catching devices
  • the circuits preferably have at least one transistor, which is typically interacts indirectly with a color center of the nanoparticle (NP) via a partially optical path. Such interaction can, for example, control a
  • the nanoparticle (NP) strives to achieve a minimal energy level, it will be arranged in such a way that the magnetic poles of its exemplary ferromagnetic alignment aid (Fe) are anti-parallel to the magnetic poles of the preferably ferromagnetic catching devices (Fa) of the planar substrate ( Sub) are. This anti-parallelism is indicated by the corresponding arrows in FIG.
  • the interaction between the safety devices (Fa) of the planar substrate (Sub) and the alignment aids (Fe) of the nanoparticles (NP) is to be of a magnetic nature, it is helpful if the nanoparticles (NP) along their axis (reference symbol AS in FIG 10) are magnetized and the safety gears (Fe) parallel to the surface of the planar substrate (Sub).
  • the nanoparticle (NP) can be placed on the planar substrate (Sub) by means of an interaction between the alignment aid (Fe) of the nanoparticle (NP) and a catching device (Fa) of the planar substrate (Sub).
  • the technical teaching disclosed here enables the production of microelectronic MOS, CMOS, BICMOS and bipolar circuits that include NV color centers. You can also use the
  • the catch structure is used to stop the movement of the
  • Nanoparticles (NP) on the surface (OF) of the substrate to be coated (Sub) during the coating is preferably used in conjunction with the conductive structure (LS) and the shape of the nanoparticles (NP) and possibly others
  • the first catch part structure serves here as an example to the
  • the exemplary second capture part structure is used for the final positioning and alignment of the captured nanoparticle (NP).
  • the second partial trapping structure is preferably manufactured together with the first partial trapping structure (FS2) in such a way that, in cooperation with the first partial trapping structure, it ensures the trapping of precisely one nanoparticle (NP).
  • the dimensions can be like this be chosen so that after the capture of the nanoparticle (NP) with a previously known geometry, no further nanoparticles (NP) are captured.
  • FZ color center This can be, for example, an NV center (NV) in a diamond nanocrystal (ND) and / or an SiV center (SiV) in a diamond nanocrystal and / or an FI3 center in a diamond nanocrystal act;
  • NV NV center
  • SiV SiV center
  • GA gate connection control electrode of the exemplary CMOS transistor
  • KL colloidal mixture also referred to here as colloidal varnish
  • the lead structure directs the movement of the nanoparticles (NP) on the
  • M2L exemplary second metal layer of exemplary CMOS transistor
  • ND nano-diamond as an example of a functional nanoparticle (NP); nG N well of the photosensitive component of the CMOS circuit;
  • NP nanoparticles This can be, for example, amorphous nanoparticles but also nanocrystals. In particular, it can be nano-diamond and / or nano-silicon crystals and / or nanoglass particles and / or other nano-crystals and / or nano-particles in general;
  • Component serves;
  • Sub planar substrate preferably a wafer
  • TM carriers such as gelatin; uMSl first section of the first metal screen; uMS2 second section of the first metal screen;
  • Nano diamonds with the carrier (TM)
  • NP In FIG. 4, for example, a silicon wafer

Abstract

Die Anmeldung betrifft quantentechnologische, mikro-elektrooptische, elektronische oder photonische Systeme und Verfahren zu deren Herstellung. Bevorzugt werden NV-Zentren und Diamant-Nanokristalle und CMOS-Schaltkreise verwendet. Die vorgeschlagene technische Lehre ist darauf aber ausdrücklich nicht begrenzt. Kerngedanke ist es, solche Farbzentren fest mit einem Halbleiterschaltkreis oder einer Schaltung in Dickschichttechnik zu verbinden.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur
Verwendung von Diamant- Nanokristallen mit NV-Farbzentren in
CMOS-Schaltkreisen
Allgemeine Einleitung
Die Erfindung richtet sich auf Vorrichtung und Verfahren zur Verwendung von funktionellen
Nanopartikeln in integrierten Schaltkreisen im Allgemeinen und von Diamant-Nanokristallen mit NV- Farbzentren in CMOS-Schaltkreisen im Speziellen.
Hinweis für die Prüfungsstelle:
Diese Anmeldung nimmt die Priorität der deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen DE 10 2019 114 032.3 vom 25.05.2019 in Anspruch.
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 hersteilen 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:1810.01056vl [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-Wafer, um eine Massenproduktion zu ermöglichen und diese Schwierigkeiten zu umgehen.
Aus der DE 10 2012 025 088 Al ist die Platzierung einzelner Kristalle mit Farbzentren auf einer Multi- Quantum-Well Diode in Form einer Einzelphotonenquelle bekannt. Diese dort offenbarte technische Lehre ermöglich lediglich die direkte Kombination eines derartigen Farbzentrenkristalls mit einer Lichtquelle, deren Herstellung überdies nicht CMOS-kompatibel ist.
Aus der DE 10 2014 219 547 Al 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 Al 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.
Im Sinne dieser Schrift werden unter Farbzentren paramagnetische Zentren in Kristallen verstanden. Bevorzugt handelt es sich bei diesen paramagnetischen Zentren um NV-Zentren in Diamant. SiV- Zentren uns ähnliche Zentren können bei Eignung Verwendung finden.
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.
Die Merkmale der Ansprüche können soweit anwendbar miteinander kombiniert werden. Das gleiche gilt für Merkmale innerhalb der Beschreibung.
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 (TM), 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 MOS- oder CMOS-Mikrosystemen. Dieses Prinzip lässt sich auf die Montage funktionaler Nanopartikel in MOS- oder CMOS-Schaltkreisen oder Schaltkreisen, die in anderen Halbleiter- und/oder Mikrotechnologien gefertigt werden, ganz allgemein erweitern.
Die Erfindung wird anhand der beispielhaften Figuren schematisch vereinfacht erläutert.
Die Merkmale können, soweit sinnvoll miteinander kombiniert werden.
Bevorzugt nutzen die hier vorgestellten quantentechnologischen Systeme keine Mikrowelle, die ein genaue Ausrichtung der Kristalle erfordert. Gleichwohl sind einige der hier offengelegten
Grundprinzipien auch für solche nicht mikrowellenfreien System geeignet.
Bevorzugt werden für die im Folgenden erwähnten Nanopatikel (NP) Diamanten mit NV-Zentren verwendet. Deren Größe ist bevorzugt, aber ausdrücklich nicht notwendigerweise im Nano-Bereich. Andere Größenbereiche werden daher ausdrücklich von der Beanspruchung und Offenbarung mit eingeschlossen. Es wurde erfindungsgemäß erkennt, dass im Gegensatz zum Stand der Technik keine Mikrowellenstrahlung zum Betrieb der Systeme notwendig ist, damit das so auf ein hohes Niveau angeregte paramagnetische Zentrum, im Folgenden auch als Farbzentrum bezeichnet, auf ein Zwischenniveau abfällt. Im Falle von Diamanten mit NV-Zentren ist das Farbzentrum ein NV-Zentrum. Es ist typischerweise ausreichend wenn das Sensorelement, also beispielsweise der Diamantkristall, eine ausreichend hohe Dichte an paramagnetischen Zentren, also beispielsweise bevorzugt einen ausreichende Dichte an NV-Zentren in Diamant, aufweist. Bevorzugt weist ein beispielhafter Diamantkristall eine NV-Zentrendichte von mehr als 0,01ppm bezogen auf die Anzahl der
Kohlenstoffatome pro Volumeneinheit auf. Natürlich können auch geringere Konzentrationen wie beispielsweise von mehr als 0,01ppm und/oder von mehr als 10 3ppm und/oder von mehr als 104ppm und/oder von mehr als 10 5ppm und/oder von mehr als 10 6ppm verwendet werden. Das Fluoreszenzsignal der NV-Zentren bei Bestrahlung mit grünem Licht schwächt sich dann aber immer mehr ab sodass immer höhere Anforderungen an die elektronische Nachverarbeitung gestellt werden müssen. Die besagte Dichte an Farbzentren - also bevorzugt der Dichte der NV-Zentren - braucht nicht überall im Sensorelement, also dem beispielhaften Diamanten, erreicht werden. Es wurde im Zuge der Erfindung erkannt, dass es vielmehr ausreichend ist, wenn diese Dichte lokal überschritten wird. Bevorzugt werden also mehr als 100, besser noch mehr als 1000, besser mehr als 104, besser mehr als 105, besser mehr als 106, besser mehr als 107 paramagnetische Zentren (=Farbzentren) für den Betrieb des Sensorsystems verwendet. Durch spontane Emission nehmen dann immer einige der paramagnetischen Zentren spontan nach einer Übergangszeit td aus dem angeregten Zustand kommend einen energetisch niedrigeren Zwischenzustand ein, der im Stand der Technik erst durch die Verwendung von Mikrowellenstrahlung durch stimulierte Emission erreicht wird. Im Falle von NV-Zentren in Diamant kann es sich bei dem Sensorelement um einen einzelnen Diamanten als auch um eine Vielzahl von Diamanten handeln. Die Diamanten können groß oder klein sein. Die Diamanten können in Pulverform oder als Granulat vorliegen. Die Diamanten können nanokristallin sein. Die Nanokristalline Form ermöglicht eine Verarbeitung als kolloidale Lösung, die im Folgenden diskutiert wird. Bevorzugt ist also das quantentechnologische, mikro-elektrooptische oder photonische System, das hier hergestellt werden soll mikrowellenfrei, was im Falle von NV- Zentren als Farbzentren erst durch die hohe NV-Zentrendichte erreicht wird.
Figur 1
Diese Grundidee ist in Figur 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. Im Falle der Nanodiamanten sind NV-Zentren als Farbzentren bevorzugt.
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. Der Begriff Farbzentrum umfasst im Sinne dieser Schrift alle geeigneten paramagnetischen Zentren. Beispielsweise können auch statt der Nano-Diamanten mit NV Farbzentren Diamant Nanopartikel als Nanopartikel (NP) mitSiV-Zentren als Farbzentren (FZ) oder Silizium-Nanopartikel mit entsprechenden paramagnetischen Zentren 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 soll 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.
Bei diesen Funktionselementen kann es sich aber auch um ferromagnetische, diamagnetische und andere paramagnetische Funktionselemente 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 Si02-Schicht eigehüllt sind und bevorzugt geeignete paramagnetische Zentren aufweisen. 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 FI3-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 50miti, besser kleiner als 20miti, besser kleiner als IOmiti, besser kleiner als 5miti, besser kleiner als 2miti, besser kleiner als Imiti, besser kleiner als 500nm, besser kleiner als 200nm, besser kleiner als lOOnm, besser kleiner als 50nm, besser kleiner als 20nm, besser kleiner als lOnm, besser kleiner als 5nm, besser kleiner als 2nm, besser kleiner als lnm sind. Verfahren zur Herstellung des kolloidalen Lackes [KL]
Wir beziehen uns wieder auf die Figur 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). Es kann sinnvoll sein, verschiedene Sorten von Nanopartikeln zu mischen. Beispielsweise kann es sinnvoll sein, wenn ein Teil der Nanopartikel ferromagnetisch ist oder eine ferromagnetische Teilvorrichtung aufweist.
Verfahren zum Belacken eines planaren Substrats [Sub]
Um die funktionalen Nanopartikel (NP) mit einem planaren Substrat (Sub), beispielsweise einem MOS- oder CMOS-Wafer oder BICMOS-Wafer oder Bipolar-Wafer oder einem planaren Glas- oder Kunststoff-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 Figur 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 Figur 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 Wafer, 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 Figur 3 beispielhaft schematisch und vereinfacht dargestellt. Das betreffende beispielhafte Belackungsverfahren der Figur 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 sonst wie 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 FI3-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 Figur 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 Figur 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 oder BICMOS-Wafer oder Bipolar-Wafer oder einem planaren Glas- oder Kunststoff-Wafer, lokalisiert zu platzieren.
Bevorzugte Natur der Nanopartikel(NP]
Besonders bevorzugt handelt es sich bei den Nanopartikeln (ND) um Nanokristalle mit einer Kristallgröße kleiner lpm und/oder kleiner 500nm und/oder kleiner 250nm und/oder kleiner lOOnm und/oder kleiner 50nm und/oder kleiner 25nm und/oder kleiner lOnm und/oder kleiner 5nm und/oder kleiner 2,5nm und/oder kleiner lnm.
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) oder ein FI3-Zentrum oder ein SiV-Zentrum in dem Diamant- Nanokristall.
Es kann sinnvoll sein, verschiedene Sorten von Nanopartikeln zu mischen. Beispielsweise kann es sinnvoll sein, wenn ein Teil der Nanopartikel ferromagnetisch ist oder eine ferromagnetische Teilvorrichtung aufweist.
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. Unter Farbzentrenart wir hier die spezifische atomare Struktur eines Farbzentrums im Kristall, also beispielsweise NV-Zentren in Diamant oder SiV-Zentren in Diamant oder FI3-Zentren in Dimant verstanden.
Auch ist die Verwendung von Nanokristallen aus Ill/V-Material und/oder Il/Vl-Material und/oder einem direkten Flalbleitermaterial oder von Mischungen derselben als Nanopartikel (NP) denkbar. Als Farbzentrum (FZ) kann hier eine potenzielle monofrequente Anregungsfähigkeit eines
elektromagnetischen Funktionselements, z.B. eines paramagnetischen Zentrums, 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]
Figur 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 (Fig. 4a). Auf diesem Abscheidesubstrat (W) wird eine funktionale Schicht, beispielsweise eine Diamantschicht, abgeschieden (Fig. 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 lonen-lmplantation 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_Fleraeus-Seminar, Bad Flonnef, 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 (Figur 4e).
Bevorzugt werden die Nanopartikel (NP) bei dem Verfahren der Figur 4 als Nanokristalle mit einer festgelegten Kristallausrichtung relativ zur Oberfläche des Abscheidesubstrats (W) gefertigt.
Bevorzugt haben die Nanopartikel (NP) dann eine nicht vollsymmetrische 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 zusammenfällt. 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 Fierstellung 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, GuanzFlong 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, Flaroon Aman,„NV-centers in Nano-diamonds: Flow 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 MOS- oder CMOS-Schaltungen oder BICMOS- Schaltungen oder Bipolar-Schaltungen oder in Dickschicht-Systeme auf planaren Glas-, Keramik- oder Kunststoff-Substraten , was ein wesentliches Hindernis für eine Serienfertigung ist.
Figur 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 (Figur 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 (Figur 5c). Dies kann beispielsweise durch Ionenimplantation von Stickstoff und anschließende Temperaturbehandlung erfolgen. Es folgt die Strukturierung beispielsweise mittels Fotolithografie und RIE-Plasmaätzung (Figur 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.
Nanoskopische Objekte als Nanopartikel [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 Figur 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.
Figur 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 Figur 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 Figur 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 oder BICMOS-Wafer oder Bipolar-Wafer oder einem planaren Glas- oder Keramik- oder Kunststoff-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 Figur 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 Figur 6 geschieht dies durch eine erste Fangteilstruktur (FS1), die die Entkommenswahrscheinlichkeit eines einmal eingefangenen Nanopartikels (NP) vermindert. In dem Beispiel der Figur 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 Figur 6 einen U-förmigen Becher, der zur Leitstruktur (LS) hin geöffnet ist. Zusätzlich zur ersten Fangteilstruktur (FS1) weist in dem Beispiel der Figur 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 Teilfigur 6a stellt eine schematische, vereinfachte Aufsicht auf die beispielhafte mikrofluidische Struktur dar. Die Teilfigur 6b stellt einen schematischen, vereinfachten Querschnitt längs der Strecke A->B der Figur 6a dar. Die Teilfigur 6c stellt einen schematischen, vereinfachten Querschnitt längs der Strecke A'->B' der Figur 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 Figur 7 für die Strukturen der Figur 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 pm 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. Fig. 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 ll/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 MOS- oder CMOS- oder BICMOS- oder Bipolar-Bauelemente auf dem Halbleitersubstrat durchgeführt wird.
Bevorzugt handelt es sich somit bei dem planaren Substrat (Sub) um einen MOS- CMOS- oder BICMOS- Wafer oder einen Wafer, der in einer Bipolar-Technologie hergestellt ist, 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. Eine elektronische Schaltung im Sinne dieser Offenlegung umfasst eine Zusammenschaltung von zumindest zwei mikroelektronischen Bauelementen, die in dem planaren Substrat (Sub) gefertigt sind. Bevorzugt umfasst die mikroelektronische Schaltung zumindest einen Transistor als mikroelektronisches Bauelement. Bevorzugt handelt es sich um einen MOS-Transistor. Bevorzugt umfasst die mikroelektronische Schaltung zumindest einen Transistor, z.B. einen N-Kanal- MOS-Transistor oder einen NPN-Bipolartransistor, und zumindest einen dazu komplementären Transistor, also z.B. einen P-Kanal-Transistor bzw. einen PNP-Transistor, wobei diese beiden Transistoren dann Teil der gleichen mikroelektronischen Schaltung sind und wobei diese beiden Transistoren dann in dem planaren Substrat (Sub) gefertigt sind.
Beispielsweise kann es sich bei dem planaren Substrat (Sub) auch 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 oder Bipolar-Wafer handeln, wobei eine daraus hergestellte Vorrichtung, allgemein Chip genannt, dann eine mikroelektronische Schaltung, beispielsweise eine MOS- oder CMOS- oder BICMOS- oder Bipolar-Schaltung, und ein mikromechanisches Funktionselement umfasst. Ein solcher Chip weist dann bevorzugt einen Nanopartikel (ND) auf, der mittels eines Befestigungsmittels, beispielsweise eines verfestigten Trägermittels (TM) fest mit dem planaren Substrat (Sub) verbunden ist. Der Nanopartikel (ND) weist bevorzugt das besagte paramagnetische Zentrum beispielsweise ein oder mehrere NV-Zentren in Diamant, auf. Bevorzugt ist in oder fest verbunden mit dem planaren Substrat (Sub) ein mikrooptisches Funktionselement, besonders bevorzugt ein Lichtwellenleiter, gefertigt, der bevorzugt das oder die paramagnetischen Zentren des Nanopartikels (ND) mit einem lichtemittieren Bauelement der mikrointegrierten Schaltung, beispielsweise einer später beschriebenen MESA-Struktur (MS), die bevorzugt in oder auf dem planaren Substrat gefertigt ist, und/oder mit einem lichtempfindlichen mikroelektronischen Bauelement der mikrointegrierten Schaltung, beispielsweise einer lichtempfindlichen PN-Diode (pG, nG), optisch gekoppelt ist. Die mikroelektronische Schaltung kann um weitere mikrooptische Funktionselemente ergänzt sein.
B e i s p i e I h a f t e s M O S - S y s t e m o d e r C M O S - S y s t e m o d e r B I C M O S - S y s t e m o d e r B I p o I a r - S y s t e m m i t N a n o p a r t i k e I n ( N P )
Figur 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 (Im Allgemeinen mit den Englischen Worten Chip oder Die bezeichnet) mit einer p-Leitfähigkeit handeln, wie er in der MOS- und der CMOS- und der BICMOS- und der Bipolar-Technik heute üblich ist. Die Ausführengen hier lassen sich natürlich auch auf die Bipolartechnik übertragen. Vor dem Einbringen der Nanopartikel (NP) wurde beispielhaft ein MOS- bzw. CMOS- bzw. BICMOS- bzw. ein Bipolar-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 einemMOS-Wafer bzw. zu einem CMOS-Wafer bzw. zu einem
BICMOS-Wafer bzw. zu einem Bipolar-Wafer wurde. Symbolisch für eine solche mikroelektronische Schaltung ist ein einzelner beispielhafter MOS-Transistor vereinfacht schematisch angedeutet. Dort kann man sich auch einen Bipolartransistor oder ähnliche Bauelemente wie Thyristoren und dergleichen denken. Durch diese vereinfachte Darstellung soll sichergestellt werden, dass das Grundprinzip ohne verwirrende Details deutlich wird. Die vereinfachte Darstellung soll die Ko- Integration einer mikroelektronischen Schaltung mit dem Nanopartikel (NP) mit dem
paramagnetischen Zentrum bzw. der Mehrzahl von paramagnetischen Zentren 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 MOS-, CMOS-, BICMOS und Bipolar-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 Figur 8 umfasst beispielhafte mikrooptische Komponenten in Form von
beispielhaften Lichtwellenleitern (LWL1, LWL2). Diese sollen in dem Verdeutlichungsbeispiel der Figur 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 Figur 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 Si02-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 (uMSl) nach unten zum Substrat (Sub) hin unterbunden. Die erste Lichtwellenleiterstruktur (LWL1) wurde bevorzugt fotolithografisch strukturiert und beispielhaft mit einem ersten Abschnitt einer zweiten Metallblende (oMSl) 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 Figur 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 Figur 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 den besagten MOS-, CMOS-, BICMOS und Bipolar-Prozessen gefertigt werden können. Um die Komplexität der Darstellung gering und transparent zu halten wurde die Figur 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 MOS-, CMOS- , BICMOS oder Bipolar-Schaltkreis oder zumindest ein mikroelektronisches MOS- bzw. CMOS- bzw. BICMOS- oder Bipolar-Bauelement, insbesondere einen Fotodetektor und/oder ein
lichtemittierendes Bauelement. Im Falle einer CMOS-Technologie handelt es sich bevorzugt um einen CMOS Fotodetektor, z.B. eine CCD-Pixel oder ein CCD Pixel-Array und/oder ein lichtemittierendes CMOS-Bauelement, wobei ein CMOS-Bauelement dadurch gekennzeichnet ist, dass es in einer CMOS-technolgie gefertigt wurde. Der mikroelektronische Schaltkreis ist bevorzugt zumindest in Teilen in MOS- oder CMOS- oder BICMOS- oder Bipolar-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 Ill/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. Die mikroelektronische Schaltung legt bei einer NPN-Struktur zwischen den Kontakt des ersten N-Gebiets und dem Kontakt des zweiten N-Gebiets eine sehr hohe Spannung an. Es kommt zum Durchbruch. Durch den Durchbruch der Basis-kollektor- Strecke wird ein Strom in die Basis injiziert. Die extrem hoch dotierte und sehr schmale Basis schaltet durch, sodass der Transistor schlagartig extrem schnell durchschaltet. Die Teile der Basis-Kollektor- Kapazität in der Nähe des PN-Übergangs werden schlagartig entladen. Hierdurch kommt es zu einer elektromagnetischen Welle in der Basis, die durch die hohe Dotierung und den dadurch vorhandenen Brechungsindexsprung fokussiert wird. Wenn ein "+" eine hohe Dotierung symbolisieren soll, wird hier also die Verwendung einer PN+P-Struktur oder einer NP+N-Struktur vorgeschlagen. Aus der Literatur sind insbesondere sogenannte Silicon-Avalance-Based-Light-Emitting-Diodes bekannt, die ähnliches leisten. (K. Kurokawa, "Avalanche Breakdown Electroluminescence in Silicon Carbide Light Emitting Diodes", January 2000Materials Science Forum 338-342:691-694, DOI:
10.4028/www.scientific.net/MSF.338-342.691)
Auf Basis einer solchen PN+P-Struktur oder einer NP+N-Struktur oder einer solchen Silicon-Avalance- Based-Light-Emitting-Diode ergibt sich dann ein quantentechnologisches, mikro-elektrooptisches oder photonisches oder mikroelektronisches System in MOS-, CMOS-, BICMOS- oder Bipolar-Technik, oder einer anderen geeigneten Wafer-Fertigungstechnik. Das besagte System umfasst dann ein Substrat (Sub), das insbesondere aus einem indirekten Halbleiter wie Silizium gefertigt ein kann und eine Oberfläche (OF) aufweist. Bevorzugt weist das Substrat (Sub) für die Lichterzeugung eine Silicon- Avalance-Based-Light-Emitting-Diode oder eine PN+P-Struktur oder eine NP+N-Struktur oder eine halbleitende MESA-Struktur (MESA) aus. Diese Silicon-Avalance-Based-Light-Emitting-Diode, PN+P- Struktur, NP+N-Struktur oder halbleitende MESA-Struktur (MESA) dienen hier als lichtemittierendes mikroelektronisches Bauteil, das beispielsweise als Pumplichtquelle für ein Farbzentrum genutzt werden kann. Die MESA-Struktur ist bevorzugt gegenüber dem Substrat isoliert und weist einen ersten Bereich (E) der MESA-Struktur (MESA), einen zweiten Bereich (B) der MESA-Struktur (MESA) und einen dritten Bereich (C) der MESA-Struktur (MESA) auf. Das quantentechnologische, mikro elektrooptische oder photonische oder mikroelektronische System weist darüber zumindest einen, bevorzugt mehrere Nanopartikel (NP) mit zumindest einem, bevorzugt jedoch einer
Vielzahlbevorzugt möglichst gleicher Farbzentren (FZ) auf. Zumindest ein mikro-optisches
Funktionselement, insbesondere ein Lichtwellenleiter (LWL2), das in dem Substrat (Sub) oder auf der Oberfläche (OF) des Substrats (Sub) gefertigt ist koppelt bevorzugt die besagten lichtemittierenden Bauteile in oder auf dem Substrat (Sub) mit einem oder mehreren Farbzentren, sodass diese gepumpt oder sonst wie optisch manipuliert werden können. Im Sinne dieser Schrift umfasst dann das Substrat (Sub) das mikrooptische Funktionselement (LWL2). Hierbei ist der Lichtwellenleiter in seiner Längserstreckung ganz oder zu großen Teilen fest mit dem Substrat verbunden. Der erste Bereich (E) und der dritte Bereich (C) der ggf. verwendeten MESA-Struktur weisen bevorzugt einen ersten Leitfähigkeitstyp auf. Der zweite Bereich (B) der ggf. verwendeten MESA-Struktur weist bevorzugt einen zweiten Leitfähigkeitstyp auf, der vom ersten Leitfähigkeitstyp verschieden ist und der zweite Bereich (B) zwischen dem ersten Bereich (E) und dem zweiten Bereich (C) angeordnet ist. Bei der MESA-Struktur (MESA) handelt es sich bevorzugt um eine PNP- oder NPN-MESA-Struktur, wobei die Breite des zweiten Bereichs (B) bevorzugt kleiner als 3pm und/oder kleiner als lpm und/oder kleiner als 500nm und/oder kleiner als 200nm und/oder kleiner als lOOnm und/oder kleiner als 50nm und/oder kleiner als 25nm und/oder kleiner als lOnm ist. Der zweite Bereich (B) ist bei einer ausreichend hohen Dotierung dann dazu geeignet, bei Anlegen einer ausreichend hohen elektrischen Spannung Licht zu emittieren. Eine Kopplung mit einem optischen Funktionselement dokumentiert dann, dass die MESA-Struktur dazu vorgesehen ist, Licht zu emittieren. Das vom zweiten Bereich (B) emittierte Licht wirkt dann mit einem Farbzentrum (FZ) des Nanopartikels (NP) mittels des besagten mikrooptischen Funktionselements (LWL2) zusammen. 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 lpm und/oder besser kleiner 500nm und/oder besser kleiner 250nm und/oder besser kleiner lOOnm und/oder besser kleiner 50nm und/oder besser kleiner 25nm und/oder besser kleiner lOnm und/oder besser kleiner 5nm und/oder besser kleiner 2,5nm und/oder kleiner lnm. 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 Il/Vl-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 oder photonisches System vorgeschlagen, das ein planares Substrat (Sub), insbesondere ein
Halbleitersubstrat umfasst. Das besondere des Vorschlags hier ist, dass das gesamte System mit Ausnahme des Nanopartikels aus einem indirekten Halbleitermaterial gefertigt sein kann. In und/oder auf dem Halbleitermaterial ist typischerweise eine mikroelektronische Schaltung, bevorzugt in einer MOS-, CMOS-, BICMOS,- oder Bipolar-Technik gefertigt. Dabei umfasst die mikroelektronische Schaltung bevorzugt eine Mehrzahl von Bauelementen wie Transistoren, Dioden, Widerständen, Kondensatoren, lichtempfindliche und ggf. lichtemittierende elektronische
Bauelemente. Ein solches, lichtempfindliches Bauelement der besagten mikroelektronischen Schaltung beispielsweise zur Erfassung eine Fluoreszenz des Farbzentrums des Nanopartikels (NP), der bevorzugt ein Diamant mit einem NV-Zentrum ist, kann beispielsweise eine PN-Diode als lichtempfindliches, elektrisches Bauelement (nG, pG) sein, das Teil der mikroelektrischen Schaltung ist. Ein lichtemittierendes Bauelement kann beispielsweise eine MESA-Struktur, wie hie beschrieben sein. Das quantentechnologische, mikro-elektrooptische oder photonische System umfasst bevorzugt einen Teilbereich eines kolloidalen Films (FM) bzw. kolloidalen Lackes (KL), der zumindest einen Nanopartikel (NP) mit einem Farbzentrum (FS) aufweist. (Siehe Figur 8). Es kann sinnvoll sein, wenn das quantentechnologische, mikro-elektrooptische oder photonische System umfasst bevorzugt zumindest einen Teilbereich eines kolloidalen Films (FM) bzw. kolloidalen Lackes (KL) einen oder mehrere Nanopartikel aufweist, die ferromagnetisch sind oder eine ferromagnetische Teilvorrichtung aufweisen und ggf. mittels ihres Magnetfeldes mit dem Farbzentrum des Nanopartikels (NP) wechselwirken können. Ein oder mehrere Teilbereiche der ggf. mehreren kolloidalen Filme (FM) sind dabei bevorzugt 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 lpm und/oder besser kleiner 500nm und/oder besser kleiner 250nm und/oder besser kleiner lOOnm und/oder besser kleiner 50nm und/oder besser kleiner 25nm und/oder besser kleiner lOnm und/oder besser kleiner 5nm und/oder kleiner besser 2,5nm und/oder besser kleiner lnm. Bevorzugt handelt es sich bei dem Farbzentrum um ein NV-Zentrum in einem Diamantnanokristall bzw. um ein SiV-Zentrum in einem Diamant-Nanokristall bzw. um ein H3-Zentrum in einem Diamant-Nanokristall. 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 MOS-, CMOS-, BICMOS, oder Bipolar-Technologie handelt. Ein solcher mikroelektronischer Schaltkreis, der typischerweise in dem planaren Substrat (Sub) gefertigt ist, umfasst als bevorzugt eine Mehrzahl mikroelektronischer Bauelemente, wie MOS-Transistoren, Bipolartransistoren, Dioden, Widerstände, Kapazitäten, Spulen und ggf. weitere
Halbleiterbauelemente, die in dem planaren Substrat, insbesondere im Metallisierungsstapel, gefertigt sind und durch Leitungen zu der mikroelektronischen Schaltung verschaltet sind, die mit dem Farbzentrum (=paramagnetischen Zentrum) des Nanopartikels, der bevorzugt ein Diamant mit einem Farbzentrum ist, zu einem Gesamtsystem optisch gekoppelt sind. Dabei umfasst das planare Substrat (Sub) bevorzugt mindestens ein mikrooptisches Funktionselement, z.B. einen
Lichtwellenleiter (LWL1), die mikroelektronische Schaltung in MOS-, CMOS-, BICMOS, oder Bipolar- Technik. Typischerweise weist das planare Substrat (Sub) auch das lichtempfindliche elektrische Bauelement (nG, pG) auf, um bevorzugt mittels dieses lichtempfindlichen elektrischen Bauelements (pG, nG) eine Lumineszenz des Farbzentrums (FZ) zu erfassen. Typischerweise hängt dann zumindest ein Betriebsparameter der mikroelektronischen Schaltung, z.B. der Wert eines Regelsignals innerhalb der mikroelektronischen Schaltung von einem durch das lichtempfindliche Bauelement (pG, nG) erfassten Wert der Intensität der Fluoreszenz des Farbzentrums (FZ) ab. Das Farbzentrum (FZ) ist bevorzugt über das mikrooptische Funktionselement (LWL1) mit dem lichtempfindlichen elektrischen Bauelement (pG, nG) gekoppelt.Ein solches Quantentechnologisches, mikro-elektrooptisches oder photonisches oder mikroelektronisches System kann aber auch auf einem mit einem planaren Substrat (Sub) aus einem direkten Flalbleitermaterial gefertigt werden. Dies hat den Vorteil, dass die Lichtausbeute der lichtemittieren Bauelemente des Systems höher ist und so eine bessere
Pumpleistung erreicht werden kann, was den Kontrast zwischen der Intensität der Fluoreszenz des Farbzentrums bei der magnetischen Flussdichte mit maximaler Fluoreszenzintensität des
Farbzentrums und der Intensität der Fluoreszenz des Farbzentrums bei der magnetischen Flussdichte mit minimaler Fluoreszenzintensität des Farbzentrums verbessert. Bevorzugt erden dann
Substratmaterialen des planaren Substrats (Sub) verwendet, bei denen ein Flalbleitermaterial des Substrats ein Ill/V-Halbleitermaterial und/oder ein Il/Vl-Halbleitermaterial oder ein durch Bandgap- Engineering hergestelltes Halbleitermaterial sein kann. Das Substratmaterial muss also ausdrücklich nicht homogen sein, sondern kann aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Das System umfasst dann eine mikroelektronischen Schaltung, die Teil des Substrats (Sub) ist, und ein elektrisches Bauelement, das Teil der mikroelektrischen Schaltung ist, und eine mikrooptische Teilvorrichtung (LWL1, LWL2), die Teil des Substrats (Sub) ist, und einem oder mehrere Nanopartikeln (NP), die Diamanten sein können, mit einem oder mehreren Farbzentren (FZ), die jeweils ein oder mehrere NV-Zentren in dem oder den Diamanten sein können. Das planare Substrat (Sub) umfasst somit die mikroelektronische Schaltung und das elektrische Bauelement und die mikrooptische Vorrichtung (LWL1, LWL2). Das besondere des Systems ist dann, dass es zumindest ein lichtemittierendes elektrooptisches Bauelement (MS) aufweist, das Teil des Substrats (Sub) ist oder auf der Oberfläche des Substrats (Sub) gefertigt ist, wobei das planare Substrat (Sub) das lichtemittierende Bauelement (MS) umfasst und wobei das lichtemittierende elektrooptische Bauelement (MS) mit der
mikrooptischen Teilvorrichtung (LWL1, LWL2) optisch wechselwirkt. Das lichtemittierende elektrooptische Bauelement (MS) wechselwirkt mit dem elektrischen Bauelement elektrisch und/oder optisch in direkter oder indirekter Weise mittels der mikrooptischen Teilvorrichtung (LWL1, LWL2) wechselwirkt. Diese Wechselwirkung zwischen dem lichtemittierenden elektrooptischen Bauelement (MS) mit dem elektrischen Bauelement erfolgt dabei unter Mitwirkung des Farbzentrums (FZ) oder einer Mehrzahl von Fabzentren der Farbzentren (FZ).
Das planare Substrat (Sub) ist also bevorzugt ein Flalbleitersubstrat, ein Silizium-Wafer oder ein GaAs- Wafer oder ein Wafer aus einem Ill/V-Material oder ein Wafer aus Il/Vl-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.
Im Falle von II I/V-Materialien kann das Substrat auch eine LED oder einen Laser umfassen.
Bevorzugt umfasst das quantentechnologische, mikro-elektrooptische oder photonische 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 handeln, der ggf. beispielsweise in den Metallisierungsstapel des besagten MOS-, CMOS-, BICMOS oder Bipolar-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 Fl in dem magnetischen Kreis bevorzugt von einem Betriebszustandsparameter des elektronischen Schaltkreises, also bevorzugt des MOS-, CMOS-, BICMOS- oder Bipolar-Schaltkreises, ab. In diesem Zusammenhang sei auf die zum Zeitpunkt der prioritätsgebenden Anmeldung dieser Offenlegung noch unveröffentlichte deutsche Patentanmeldung DE 10 2018 127 394 Al verwiesen. Die
Verwendung des hier vorgestellten Verfahrens zur Herstellung einer Vorrichtung gemäß der DE 10 2018 127 394 Al 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 Al 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 zum Zeitpunkt der
prioritätsgebenden Anmeldung dieser Offenlegung noch unveröffentlichten deutschen
Patentanmeldung DE 10 2018 127 394 Al 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.
Der hier offenbarte integrierter MOS-Schaltkreis bzw. CMOS- Schaltkreis, bzw. BICMOS-Schaltkreis bzw. Schaltkreis in Bipolar-Technologie oder einer anderen Schaltungstechnik zeichnet sich somit dadurch aus, dass er mindestens eine kristalline Teilvorrichtung, die bevorzugt mechanisch mit ihm fest verbunden ist und die ein einem Farbzentrum (FZ) aufweist, wobei das Farbzentrum (FZ) ein Funktionselement für die bestimmungsgemäße Verwendung des integrierten Schaltkreises ist. Ein kolloidaler Film (FM) und/oder ein kolloidaler Lack (KL) stellen bevorzugt die mechanische
Verbindung zwischen der kristallinen Teilvorrichtung und dem planaren Substrat (Sub) her. Bevorzugt ein oder mehrere optische Kopplungen z.B. durch ein oder mehrere mikro-optisches
Funktionselemente rufen eine oder mehrere Wirkverbindungen zwischen dem Farbzentrum (FZ) und zumindest einem oder mehreren Teilen der MOS-, CMOS-, BICMOS- oder Bipolar- Schaltung, insbesondere lichtemittierenden Gebieten (LG) und/oder lichtempfindlichen Bauteilen (pG, nG) hervor. Der integrierte CMOS Schaltkreis, bzw. MOS-Schaltkreis, bzw. BICMOS-Schaltkreis bzw. Schaltkreis in Bipolar-Technologie oder einer anderen Schaltungstechnik weist typischerweise einen oder mehrere Transistoren auf. Im Falle einer BICMOS-Schaltung können das Bipolartransistoren und/oder MOS-Transistoren sein. Im Falle einer MOS- oder CMOS-Schaltung können das MOS- Transistoren sein. Im Falle einer Bipolar-Schaltung können das Bipolartransistoren sein.
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:
S c h e m a F l ä c h e g e g e n F l ä c h e
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.
D r u c k z y I i n d e r 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.
H o c h d r u c k 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 CM P an der Oberfläche planarisierten MOS- Wafers bzw. CMOS-Wafers bzw. BICMOS-Wafers bzw. Bipolar- 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 MOS- Wafer bzw. CMOS-Wafer bzw. BICMOS-Wafer bzw. Bipolar-Wafer .
Aus dieser Grundform des Hochdrucks können weitere Druckformen entwickelt werden:
I n d i r e k t e r D r u c k
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.
F l e x o d r u c k
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 C02-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. T i e f d r u c k
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 MOS- Wafern bzw. CMOS-Wafern bzw. BICMOS-Wafern bzw. Bipolar-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.
F l a c h d r u c k
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.
D u r c h d r u c k
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 ein 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 pm bis wenigen Millimeter, der nötig ist, um den sogenannten Absprung zu ermöglichen. Dieser Zwischenraum sollte im Idealfall Om 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 ist— kann 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.
T a m p o n d r u c k
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.
S t e m p e l d r u c k
Der Stempeldruck ist ein Flexodruckverfahren und als solches dem Flochdruck zuzuordnen. Der Stempel wird bevorzugt elastisch ausgeführt.
E l e k t r o n i s c h e D r u c k v e r f a h r e n
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. Bevorzugt handelt es sich um einen Halbleiter-Wafer und/oder ein anderes Halbleitersubstrat oder einen Silizium-Wafer oder einen ein GaAs-Wafer oder einen Wafer aus IV-Material oder einen Wafer aus Ill/V-Material oder einen Wafer aus Il/Vl-Material oder einen Wafer aus Mischungen solcher Materialien oder einen Germanium-Wafer oder einen mono- oder polykristallinen Diamant-Wafer oder einen Teil derselben oder um einen Glas-Wafer und/oder einen Keramik-Wafer und/oder oder ein Metallblech oder eine Kunststoffplatte oder einen Teil derselben. Bevorzugt umfasst das Verfahren an einer zeitlichen Stelle des Verfahrens die Herstellung einer typischerweise integrierten Schaltung. Die Schaltung kann aber auch aus diskreten Bauelementen bestehen, die an dem Substrat befestigt werden. Das planare Substrat (Sub) umfasst infolge dieses Fertigungsschritts dann zum Ende des Verfahrens zumindest eine elektronische Schaltung aus zumindest zwei elektrischen Bauteilen, die sich mechanisch fest auf dem planaren Substrat (Sub) oder in dem planaren Substrat (Sub) befindet. Bevorzugt umfasst diese Schaltung zumindest einen MOS-Transistor und/oder einen Bipolartransistor. Eine Leitung ist in diesem Sinne ein elektrisches Bauteil, so dass eine Schaltung aus einer Leitung und einem zweiten Bauelement, beispielsweise einem Widerstand oder einem
Transistor bestehen kann. 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 Drückens 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 lpm und/oder besser kleiner 500nm und/oder besser kleiner 250nm und/oder besser kleiner lOOnm und/oder besser kleiner 50nm und/oder besser kleiner 25nm und/oder besser kleiner lOnm und/oder besser kleiner 5nm und/oder besser kleiner 2,5nm und/oder besser kleiner lnm.
Ebenso bevorzugt handelt es sich wieder bei den Nanopartikeln (NP) um Diamant-Nanokristalle mit einer Kristallgröße kleiner lpm und/oder besser kleiner 500nm und/oder besser kleiner 250nm und/oder kleiner besser lOOnm und/oder besser kleiner 50nm und/oder besser kleiner 25nm und/oder besser kleiner lOnm und/oder besser kleiner 5nm und/oder besser kleiner 2,5nm und/oder besser kleiner lnm. Des Weiteren kann es sich bei den Nanopartikeln (NP) um Silizium-Nanokristalle mit einer
Kristallgröße kleiner lpm und/oder besser kleiner 500nm und/oder besser kleiner 250nm und/oder besser kleiner lOOnm und/oder besser kleiner 50nm und/oder besser kleiner 25nm und/oder besser kleiner lOnm und/oder besser kleiner 5nm und/oder besser kleiner 2,5nm und/oder besser kleiner lnm handeln.
Ebenso kann es sich bei den Nanopartikeln (NP) um Nanokristalle aus einem direkten
Halbleitermaterial mit einer Kristallgröße kleiner lpm und/oder besser kleiner 500nm und/oder besser kleiner 250nm und/oder besser kleiner lOOnm und/oder besser kleiner 50nm und/oder besser kleiner 25nm und/oder besser kleiner lOnm und/oder besser kleiner 5nm und/oder besser kleiner 2,5nm und/oder besser kleiner lnm handeln.
Ebenso kann es sich bei den Nanopartikeln um Nanokristalle aus einem lll/V- oder ll/VI- Halbleitermaterial oder einer Mischung derselben mit einer Kristallgröße kleiner lpm und/oder besser kleiner 500nm und/oder besser kleiner 250nm und/oder besser kleiner lOOnm und/oder besser kleiner 50nm und/oder besser kleiner 25nm und/oder besser kleiner lOnm und/oder besser kleiner 5nm und/oder besser kleiner 2,5nm und/oder besser kleiner lnm handeln.
Ebenso kann es sich bei den Nanopartikeln (NP) um Nanokristalle mit einer Kristallgröße kleiner lpm und/oder besser kleiner 500nm und/oder besser kleiner 250nm und/oder besser kleiner lOOnm und/oder besser kleiner 50nm und/oder besser kleiner 25nm und/oder besser kleiner lOnm und/oder besser kleiner 5nm und/oder besser kleiner 2,5nm und/oder besser kleiner lnm handeln.
Schließlich kann es sich bei den Nanopartikeln (NP) um Nano-LEDs mit einer Kristallgröße kleiner lpm und/oder besser kleiner 500nm und/oder besser kleiner 250nm und/oder besser kleiner lOOnm und/oder besser kleiner 50nm und/oder besser kleiner 25nm und/oder besser kleiner lOnm und/oder besser kleiner 5nm und/oder besser kleiner 2,5nm und/oder besser kleiner lnm 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 Diamant-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 MOS-, CMOS-, BICMOS- oder Bipolar-Technologie in Verbindung gebracht werden kann, ohne hierfür den betreffenden Halbleiterprozess 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 Il/Vl-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 MOS-, CMOS-, BICMOS- oder Bipolar-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 Fig. 8) relativ zu einem mikrooptischen Element (z.B. LWL1 und LWL2 in Fig. 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 hersteilen zu können, ist es sinnvoll ein Druckverfahren zur Fierstellung lichtemittierender Bauelemente auf dem Flalbleitersubstrat durchzuführen. Auf das Verfahren nach Röcken wurde bereits hingewiesen. Eine solche Flerstellung 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 MOS-, CMOS-, BICOMS- und Bipolar-Schaltung mit Nanokristallen als Nanopartikel (NP) mit
Farbzentren (FZ) hinsichtlich Fertigung und dem Zusammenwirken der Nanopartikel (NP) mit Bauelementen der MOS-, CMOS-, BICMOS-, oder Bipolar-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 MOS-Schaltung oder eine CMOS- Schaltung, eine BICMOS-Schaltung oder eine Bipolar-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) bevorzugt direkt verbunden ist. Der weitere Kristall ist somit an dem Halbleiterkristall, also dem planaren Substrat (Sub), mechanisch insbesondere durch den besagten kolloidalen Film (FM) und/oder den besagten kolloidalen Lack (KL) befestigt. Das Besondere ist, dass es eine Wirkverbindung zwischen dem Farbzentrum (FZ des weiteren Kristalls und zumindest einem Teil der MOS-Schaltung, der CMOS-Schaltung, der BICMOS-Schaltung oder der Bipolar-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 FI3-Zentrum oder der weitere Kristall ist ein Diamantkristall und das mindestens eine Farbzentrum (FZ) ist ein SiV- Farbzentrum. Bevorzugt umfasst die MOS-Schaltung, die CMOS-Schaltung, die BICMOS-Schaltung, die Bipolar-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 M ESA-Struktur (MS), die beispielhaft ebenfalls mit dem Farbzentrum (FZ) wechselwirken kann. Bevorzugt ist somit die Wirkverbindung zwischen der MOS-Schaltung, der CMOS-Schaltung, der BICMOS-Schaltung, der Bipolar-Schaltung oder der anderen mikroelektronischen Schaltung des Halbleiterkristalls (Sub) einerseits und dem Farbzentrum (FZ) eine optische und/oder elektromagnetische und/oder elektronische Wirkverbindung.
Bevorzugt weist darüber hinaus die die MOS-Schaltung, CMOS-Schaltung, die BICMOS-Schaltung, die Bipolar-Schaltung oder die 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 MOS-Schaltung, CMOS-Schaltung die BICMOS- Schaltung, die Bipolar-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 MOS- Schaltung, CMOS-Schaltung die BICMOS-Schaltung, die Bipolar-Schaltung oder anderen
mikroelektronischen Schaltung des Halbleiterkristalls (Sub) zu verändern. Somit wird dann dieMOS- Schaltung, CMOS-Schaltung die BICMOS-Schaltung, die Bipolar-Schaltung in die Lage versetzt, den Zustand des Farbzentrums (FZ) zu verändern. Bevorzugt wertet die MOS-Schaltung, bzw. die CMOS- Schaltung, bzw. die BICMOS-Schaltung, bzw. die Bipolar-Schaltung den Zustand lichtempfindlicher Sensoren (nG, pG) aus, der von der Lichtabstrahlung des Farbzentrums (FZ) abhängt. Ebenso ist es sinnvoll, wenn die MOS-Schaltung, bzw. CMOS-Schaltung, bzw. die BICMOS-Schaltung, bzw. die Bipolar-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 dieMOS-Schaltung, bzw. die CMOS-Schaltung, bzw. die BICMOS-Schaltung, bzw. die Bipolar-Schaltung oder die 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. Ein NV-Zentrum in einem Diamanten weist beispielsweise zwei charakteristische Wellenlängen auf: Eine grüne Pumpwellenlänge, mit der das NV-Zentrum bestahlt wird, um es anzuregen, und eine grüne Fluoreszenzwellenlänge, mit der das NV-Zentrum in Abhängigkeit von der magnetischen Flussdichte B am Ort des NV-Zentrums fluoresziert. 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 eine 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.
Figur 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 Figur 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 Figur 11 in einer vordefinierten Ausrichtung mit erhöhter Wahrscheinlichkeit zum Liegen. Hierfür verfügt das Substrat der Figur 11 im Gegensatz zur Figur 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 Figur 4. Zunächst wird ein planares Substrat (Sub) zum Abscheiden der Nanopartikel (NP) bereitgestellt. (Schritt a der Figur 4). Es ist vorteilhaft, die Nanopartikel (NP) wie in Figur 4 gezeigt zunächst als Nanokristalle mit einer vordefinierten Kristallorientierung auf einem Trägermaterial, hier einen beispielhaften Abscheidesubstrat (W) aufwachsen zu lassen. In dem Beispiel der Figur 4 kann es sich beispielsweise um eine Diamantschicht (D) auf einem Silizium-Wafer als Abscheidesubstrat (W) handeln, die im folgenden Verfahrensschritt (Schritt b der Figur 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 Figur 4) Farbzentren (FZ) in der funktionalen Schicht (D) erzeugt werden.
Bevorzugt erfolgt nun in einem weiteren Schritt (Schritt d der Figur 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 Figur 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 Figur 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 Figur 9) geschehen. Typischerweise ist je nach Material der Schicht (D) noch die Abscheidung einer Flaftvermittlungsschicht 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 Flaftvermittlungsschicht 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 Fierstellung der Nanopartikel (NP) auf dem Wafer (W) durch einen Strukturierungsprozess (Schritt e der Figur 9).
Des Weiteren erfolgt typischerweise auch wieder die Ablösung der Nanopartikel (NP) von dem Wafer (W) (Schritt f der Figur 9).
Die Reihenfolge der Schritte in den Figuren 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 Fierstellung eines quantentechnologischen oder mikro elektronischen 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 (Figur 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 Figur 10 ist ein solcher Nanopartikel (NP) beispielhaft schematisch in Aufsicht und Seitenansicht dargestellt.
Die Figur 11 entspricht der Figur 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 beispielhafter CMOS-Wafer, der nun aber mit beispielhaft ferromagnetischen Fangvorrichtungen (Fa) ausgestattet ist. Die folgenden Ausführungen können auch auf MOS-Wafer, BICMOS-Wafer, Wafer in Bipolarer-Technologie und dergleichen ausgeweitet werden. Bevorzugt weisen die Schaltungen in einer dieser Techniken zumindest einen Transistor auf, der typischerweise indirekt über eine teilweise optische Wirkstrecke mit einem Farbzentrum des Nanopartikels (NP) zusammenwirkt. Ein solches Zusammenwirken kann beispielsweise die Ansteuerung einer
Pumplichtquelle für das Farbzentrum durch den Transistor betreffen. 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 Figur 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 Figur 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 MOS, CMOS-, BICMOS- und Bipolar-Schaltungen, die NV-Farbzentren umfassen. Auch können mittels der
Druckverfahren Dickschichtschaltungen gefertigt werden, die zumindest ein paramagnetisches Zentrum, insbesondere ein NV-Farbzentrum umfassen. Flierdurch 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 MOS-Technik und mit einer CMOS-Technik und mit einer BICMOS-technik und mit einer Bipolar-Technik sowie die Kombination mit Dickschichttechniken. Die Vorteile sind hierauf aber nicht beschränkt. An dieser Stelle sei in diesem Zusammenhang auf das Buch von Tapan K. Gupta" Handbook of Thick- and Thin-Film Hybrid Microelectronics", Wiley, 13. Mai 2003 hingewiesen. Die Kombination der hier vorgestellten Techniken mit den dort beschriebenen Verfahren und
Vorrichtungen ist ausdrücklicher Teil dieser Offenlegung.
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 Figur 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 Diamant-Nanokristall und/oder um ein FI3-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. In dem hier vorgestellten Beispiel handelt es sich bei der MESA-
Struktur um einen NPN-Transistor oder einen PNP-Transistor mit einer extrem dünnen Basis, die sehr hoch dotiert ist und die bevorzugt im Durchbruch betrieben wird, sodass die heißen Elektronen Licht emittieren;
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); oMSl 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; uMSl 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 Figur 4 beispielweise ein Silizium-Wafer;

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines quantentechnologischen, mikro-elektrooptischen oder mikroelektronischen oder photonischen Systems
mit den Schritten
- Bereitstellen eines planaren Substrates (Sub),
- wobei es sich bei dem planaren Substrat (Sub) zumindest teilweise
• um einen Halbleiter-Wafer und/oder ein anderes Halbleitersubstrat oder einen Silizium-Wafer oder einen ein GaAs-Wafer oder einen Wafer aus IV-Material oder einen Wafer aus Ill/V-Material oder einen Wafer aus Il/Vl-Material oder einen Wafer aus Mischungen solcher Materialien oder einen Germanium-Wafer oder einen mono- oder polykristallinen Diamant-Wafer oder einen Teil derselben handelt, oder
• um einen Glas-Wafer und/oder einen Keramik-Wafer und/oder oder ein
Metallblech oder eine Kunststoffplatte oder einen Teil derselben handelt und
• wobei das planare Substrat (Sub) zum Ende des Verfahrens zumindest eine
elektronische Schaltung aus zumindest zwei elektrischen Bauteilen aufweist, die sich mechanisch fest auf dem planaren Substrat (Sub) oder in dem planaren Substrat (Sub) befindet;
- Bereitstellen eines kolloidalen Lackes (KL);
- Belacken und/oder Bedrucken und/oder Beschichten und/oder lokales Benetzen des planaren Substrates (Sub) mit dem kolloidalen Lack (KL), um einen kolloidalen Film (FM) auf einer Oberfläche (OF) des planaren Substrats (Sub) zu erhalten,
- wobei das Belacken und/oder Bedrucken und/oder Beschichten und/oder lokale
Benetzen strukturiert erfolgen kann und/oder wobei das Verfahren ein Strukturieren des kolloidalen Films (FM) als Prozessschritt umfassen kann;
Härten und/oder trocknen des kolloidalen Films (FM), - sodass ein mittels dieses Verfahrens entstehender Teilbereich des verfestigten kolloidalen Films (FM) fest mit dieser Oberfläche (OF) des planaren Substrats (Sub) verbunden ist, gekennzeichnet dadurch,
- dass der kolloidale Lacke (KL) Nanopartikeln (NP) in einem Trägermittel (TM) umfasst,
• wobei zumindest ein Teil der Nanopartikel (NP) oder alle Nanopartikel ein oder mehrere Farbzentren (FZ) aufweisen.
2. Quantentechnologisches und/oder mikro-elektrooptisches und/oder mikroelektronisches und/oder photonisches System
- mit einem planaren Substrat (Sub), das ein Teil eines MOS-Wafers oder ein Teil eines CMOS-Wafers oder ein Teil eines BICMOS-Wafers oder ein Teil eines Wafers, der in einer Bipolar-Technologie prozessiert wurde, ist,
- wobei das planare Substrat (Sub) zumindest einen Transistor und/oder eine
mikroelektronische Schaltung mit zumindest einem Transistor oder mit zumindest einer Diode umfasst, gekennzeichnet dadurch,
- dass die Oberfläche (OF) des planaren Substrats (Sub) einen Teilbereich eines
verfestigten kolloidalen Films (FM) aufweist und
- dass der Teilbereich des verfestigten kolloidalen Films (FM) fest mit dieser Oberfläche (OF) des planaren Substrats (Sub) verbunden ist und
- dass der Teilbereich des verfestigten kolloidalen Films (FM) zumindest einen
Nanopartikel (NP) mit einem Farbzentrum (FZ) aufweist.
3. Quantentechnologisches, mikro-elektrooptisches, mikroelektronisches oder photonisches System das mittels eines Verfahrens nach Anspruch 1 hergestellt wurde.
4. Quantentechnologisches, mikro-elektrooptisches, mikroelektronisches oder photonisches System nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 3
- wobei das planare Substrat (Sub) mindestens ein mikrooptisches Funktionselement (LWL1, LWL2) umfasst.
5. Quantentechnologisches, mikro-elektrooptisches, mikroelektronisches oder photonisches System nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 4
- wobei das quantentechnologische, mikro-elektrooptische, mikroelektronische oder photonische System über eine Erregungsvorrichtung verfügt, die dazu geeignet ist, eine magnetische Erregung am Ort des Nanopartikels (NP) hervorzurufen und
- wobei die Erregungsvorrichtung eine Teilvorrichtung des planaren Substrates (Sub) ist.
6. Quantentechnologisches, mikro-elektrooptisches, mikroelektronisches oder photonisches System nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 5
- wobei das Quantentechnologische, mikro-elektrooptische, mikroelektronische oder photonische System mikrowellenfrei ist.
7. Quantentechnologisches, mikro-elektrooptisches, mikroelektronisches oder photonisches System nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 6
- wobei das System mindestens ein lichtempfindliches elektronisches Bauelement (nG, pG) aufweist, das Teil des Substrats (Sub) ist oder fest mit der Oberfläche (OF) des Substrats (Sub) verbunden ist.
8. Quantentechnologisches, mikro-elektrooptisches, mikroelektronisches oder photonisches System
- mit einem planaren Substrat (Sub) aus einem direkten Flalbleitermaterial, wobei das Flalbleitermaterial ein II I/V-Halbleitermaterial und/oder ein I I/Vl-Halbleitermaterial oder ein durch Bandgap-Engineering hergestelltes Flalbleitermaterial sein kann, und
- mit einer mikroelektronischen Schaltung, die Teil des Substrats (Sub) ist, und mit einem elektrischen Bauelement, das Teil der mikroelektrischen Schaltung ist, und - mit einer mikrooptischen Teilvorrichtung (LWL1, LWL2), die Teil des Substrats (Sub) ist, und
- mit einem oder mehreren Nanopartikeln (NP), die Diamanten sein können, mit einem oder mehreren Farbzentren (FZ), die jeweils ein oder mehrere NV-Zentren in dem oder den Diamanten sein können, und
- wobei das planare Substrat (Sub) somit die mikroelektronische Schaltung und das
elektrische Bauelement und die mikrooptische Vorrichtung (LWL1, LWL2) umfasst, gekennzeichnet dadurch,
- dass es zumindest ein lichtemittierendes elektrooptisches Bauelement (MS) aufweist, das Teil des Substrats (Sub) ist oder auf der Oberfläche des Substrats (Sub) gefertigt ist,
- wobei das planare Substrat (Sub) das lichtemittierende Bauelement (MS) umfasst und
- wobei das lichtemittierende elektrooptische Bauelement (MS) mit der mikrooptischen Teilvorrichtung (LWL1, LWL2) optisch wechselwirkt und
- wobei das lichtemittierende elektrooptische Bauelement (MS) mit dem elektrischen Bauelement elektrisch und/oder optisch in direkter oder indirekter Weise mittels der mikrooptischen Teilvorrichtung (LWL1, LWL2) wechselwirkt und
- wobei diese Wechselwirkung zwischen dem lichtemittierenden elektrooptischen
Bauelement (MS) mit dem elektrischen Bauelement unter Mitwirkung des Farbzentrums (FZ) oder einer Mehrzahl von Farbzentren der Farbzentren (FZ) erfolgt.
9. Quantentechnologisches, mikro-elektrooptisches, mikroelektronisches oder photonisches System
- mit einem planaren Substrat (Sub) aus einem indirekten Flalbleitermaterial und
- mit einer mikroelektronischen Schaltung in MOS-Technik oder CMOS-Technik oder
BICMOS-Technik oder Bipolar-Technik, die Teil des Substrats (Sub) ist, und mit einem elektrischen Bauelement, das Teil der mikroelektrischen Schaltung ist, und - mit einer mikrooptischen Teilvorrichtung (LWL1, LWL2), die Teil des Substrats (Sub) ist, und
- wobei das planare Substrat (Sub) somit die mikroelektronische Schaltung und das
elektrische Bauelement und die mikrooptische Vorrichtung (LWL1, LWL2) umfasst, gekennzeichnet dadurch,
- dass es zumindest ein lichtemittierendes elektrooptisches Bauelement (MS) aufweist, das Teil des Substrats (Sub) ist oder auf der Oberfläche des Substrats (Sub) gefertigt ist,
- wobei das planare Substrat (Sub) das lichtemittierende Bauelement (MS) umfasst und
- wobei das planare Substrat (Sub) aus einem indirekten Halbleiter gefertigt ist und
- wobei das lichtemittierende elektrooptische Bauelement (MS) mit der mikrooptischen Teilvorrichtung (LWL1, LWL2) optisch wechselwirkt und
- wobei das lichtemittierende elektrooptische Bauelement (MS) mit dem elektrischen Bauelement elektrisch und/oder optisch in direkter oder indirekter Weise mittels der mikrooptischen Teilvorrichtung (LWL1, LWL2) wechselwirkt.
10. Quantentechnologisches, mikro-elektrooptisches, mikroelektronisches oder photonisches System
- mit einem Substrat (Sub) mit einer Oberfläche (OF);
- mit einer halbleitenden MESA-Struktur (MESA) aus einem indirekten Halbleitermaterial, die gegenüber dem Substrat (Sub) isoliert ist,
- wobei die halbleitende MESA-Struktur (MESA) einem ersten Bereich (E) und einen
zweiten Bereich (B) und einem dritten Bereich (C) aufweist, 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 (C) einen ersten Leitfähigkeitstyp aufweist und - wobei der erste Bereich (E) und der zweite Bereich (B) und der dritte Bereich (C) eine NPN-Struktur oder eine PNP-Struktur bilden und
- wobei der zweite Bereich (B) zwischen dem ersten Bereich (E) und dem zweiten Bereich (C) angeordnet ist und
- wobei die Breite des zweiten Bereichs (B) kleiner als 3miti und/oder kleiner als Imiti und/oder kleiner als 500nm und/oder kleiner als 200nm und/oder kleiner als lOOnm und/oder kleiner als 50nm und/oder kleiner als 25nm und/oder kleiner als lOnm ist und
- wobei der zweite Bereich (B) bei Anlegen einer ausreichend hohen elektrischen
Spannung zwischen dem ersten Bereich (E) und dem dritten Bereich (C) Licht emittiert, gekennzeichnet dadurch,
- dass eine mikroelektronische Schaltung in MOS-Technik oder CMOS-Technik oder
BICMOS-Technik oder Bipolartechnik Teil des Substrats (Sub) ist und
- dass ein Nanopartikel (NP) mit einem Farbzentrum (FZ) mit dem Substrat (Sub) fest verbunden ist und
- dass ein mikrooptisches Funktionselement (LWL1, LWL2) in oder auf dem Substrat (Sub) gefertigt ist und
- dass vom zweiten Bereich (B) emittiertes Licht, mit dem Farbzentrum (FZ) des
Nanopartikels (NP) und/oder mit der Kombination aus mikrooptischen Funktionselement (LWL1, LWL2) und dem Farbzentrum (FZ) des Nanopartikels (NP) zusammenwirkt.
11. Quantentechnologisches, mikro-elektrooptisches, mikroelektronisches oder photonisches System
- mit einem Substrat (Sub) mit einer Oberfläche (OF);
- mit einer Silizium-Avalance-Light-Emitting-Diode, die in oder auf dem Substrat (Sub) gefertigt ist,
- wobei die Silizium-Avalance-Light-Emitting-Diode bei Anlegen einer ausreichend hohen elektrischen Spannung Licht emittiert gekennzeichnet dadurch,
- dass ein Nanopartikel (NP), der ein Farbzentrum (FZ) aufweist, mit dem Substrat (Sub) fest verbunden ist und
- dass ein mikrooptisches Funktionselement (LWL1, LWL2) in oder auf dem Substrat (Sub) gefertigt ist und
- dass von der Silizium-Avalance-Light-Emitting-Diode emittiertes Licht mit dem
Farbzentrum (FZ) des Nanopartikels (NP) und/oder mit der Kombination aus mikrooptischen Funktionselement (LWL1, LWL2) und dem Farbzentrum (FZ) des Nanopartikels (NP) zusammenwirkt.
12. Integrierter Schaltkreis mit einer mikroelektronischen Schaltung
dadurch gekennzeichnet,
- dass die mikroelektronische Schaltung in MOS-Technik oder CMOS-Technik oder
BICMOS-Technik oder Bipolar-Technik gefertigt ist und
- dass er mindestens eine kristalline Teilvorrichtung, insbesondere einen Nanopartikel (NP) oder Nanokristall oder Kristall oder einen Diamanten, mit einem oder mehreren Farbzentren (FZ) aufweist und
- dass die kristalline Teilvorrichtung fest mit dem Substrat (Sub) verbunden ist und
- dass das eine Farbzentrum (FZ) oder die Mehrzahl von Farbzentren ein
Funktionselement für die bestimmungsgemäße Verwendung des integrierten Schaltkreises ist.
13. Quantentechnologisches, mikro-elektrooptisches, mikroelektronisches oder photonisches System, gekennzeichnet dadurch,
- dass das System eine mikroelektronische Schaltung umfasst, die in oder auf dem
planaren Substrat (Sub) in MOS- Technik oder CMOS-Technik oder BICMOS-Technik oder Bipolartechnik gefertigt ist, und - dass das planare Substrat (Sub) einen verfestigten, strukturierten, kolloidalen Film (FM) auf der Oberfläche (OF) des planaren Substrats (Sub) aufweist, der fest mit der Oberfläche (OF) des planaren Substrats (Sub) verbunden ist und mit dem planaren Substrat somit eine Einheit bildet und
- dass der kolloidale Film (FM) Nanopartikel (NP) umfasst und
- dass zumindest ein Teil der Nanopartikel (NP) ein oder mehrere Farbzentren (FZ)
aufweisen und
- dass das Farbzentrum (FZ) mit der mikroelektronischen Schaltung oder mit Teilen
derselben zusammenwirkt.
14. Quantentechnologisches, mikro-elektrooptisches, mikroelektronisches oder photonisches System
- wobei das System einen verfestigten kolloidalen Film mit einem oder mehreren
Farbzentren (FZ) umfasst und
- wobei das System sonstigen Mittel zum bestimmungsgemäßen Betrieb umfasst, die beispielsweise, aber darauf nicht beschränkt, elektrische Schaltkreise, elektro-optische Vorrichtungsteile, elektromagnetische Vorrichtungsteile und/oder optische Vorrichtungsteile umfassen können, und
- wobei der bestimmungsgemäße Gebrauch des Systems mittels eines Zusammenwirkens zwischen zumindest einem Farbzentrum (FZ) und zumindest einem der besagten Mittel erfolgt
- gekennzeichnet dadurch, dass i der verfestigte kolloidale Film (FM) durch Drucken oder Aufsprühen und Verfestigen auf eine Oberfläche (OF) hergestellt worden ist.
15. Quantentechnologisches, mikro-elektrooptisches, mikroelektronisches oder photonisches
System, gekennzeichnet dadurch,
- dass das planare Substrat (Sub) zumindest teilweise ein Glas-Wafer oder ein Keramik- Wafer oder ein Kuststoff-Wafer oder ein Stück solcher Glas-Wafer oder Keramik-Wafer oder Kunststoff-Wafer oder funktionsäquivalenter Formen aus Glas oder Kunststoff oder Keramik ist und - dass das planare Substrat (Sub) einen aufgedruckten und verfestigten kolloidalen Film (FM) auf der Oberfläche (OF) des planaren Substrats (Sub) aufweist, der fest mit der Oberfläche (OF) des planaren Substrats (Sub) verbunden ist, und
- dass der kolloidale Film (FM) Nanopartikel (NP) umfasst und
- dass zumindest ein Teil der Nanopartikel (NP) ein oder mehrere Farbzentren (FZ)
aufweisen.
16. Quantentechnologisches und/oder mikro-elektrooptisches und/oder mikroelektronisches und/oder photonisches System
- mit einem planaren Substrat (Sub) und
- wobei es sich bei dem planaren Substrat (Sub) zumindest teilweise
• um einen Flalbleiter-Wafer und/oder ein anderes Flalbleitersubstrat oder einen Silizium-Wafer oder einen ein GaAs-Wafer oder einen Wafer aus IV-Material oder einen Wafer aus Ill/V-Material oder einen Wafer aus Il/Vl-Material oder einen Wafer aus Mischungen solcher Materialien oder einen Germanium-Wafer oder einen mono- oder polykristallinen Diamant-Wafer oder einen Teil derselben handelt, oder
• um einen Glas-Wafer und/oder einen Keramik-Wafer und/oder oder ein
Metallblech oder eine Kunststoffplatte oder einen Teil derselben handelt und
- mit einem Kristall, insbesondere einem Nanopartikel (NP),
- wobei planare Substrat (Sub) (Sub) eine MOS-Schaltung oder eine CMOS-Schaltung oder eine BICMOS-Schaltung oder eine Bipolar-Schaltung oder eine andere mikroelektronische Schaltung umfasst, die oder auf dem planaren Substrat (Sub) gefertigt ist und
- wobei der Kristall (NP) zumindest ein Farbzentrum (FZ) aufweist gekennzeichnet dadurch dass der Kristall (NP) mit dem planaren Substrat (Sub) mechanisch fest verbunden ist und - dass es eine elektromagnetische Wirkverbindung zwischen dem Farbzentrum (FZ) des Kristalls (NP) und zumindest einem Teil der MOS- oder CMOS- oder BICMOS- oder Bipolar-Schaltung oder der anderen mikroelektronischen Schaltung des planaren Substrats (Sub) gibt.
17. System nach dem vorausgehenden Anspruch dadurch gekennzeichnet,
- dass die MOS- oder CMOS- oder BICMOS- oder Bipolar-Schaltung oder die andere
mikroelektronische Schaltung des Halbleiterkristalls (Sub) ein elektromagnetisches Bauelement und/oder ein Magnetfeld erzeugendes Bauelement und/oder ein ein elektrisches Feld erzeugendes Bauelement umfasst und
- dass dieses elektromagnetische Bauelement dazu bestimmt und/oder geeignet ist,
physikalische Parameter und/oder optische Parameter des Farbzentrums (FZ) zu verändern oder dass dieses elektromagnetische Bauelement dazu bestimmt und/oder geeignet ist, physikalische Parameter und/oder optische Parameter des Farbzentrums in Abhängigkeit von Zuständen der MOS- oder CMOS- oder BICMOS- oder Bipolar- Schaltung oder der anderen mikroelektronischen Schaltung zu verändern.
18. System nach einem oder mehreren der zwei vorausgehenden Ansprüche dadurch
gekennzeichnet,
- dass der Nanopartikel (NP), zumindest zwei Farbzentren (FZ) aufweist und
- dass diese dazu bestimmt und vorgesehen sind, in eine physikalisch beobachtbare
Wechselwirkung untereinander zu treten.
19. System nach dem vorausgehenden Anspruch dadurch gekennzeichnet,
- dass die MOS- oder CMOS- oder BICMOS- oder Bipolar-Schaltung oder die andere
mikroelektronische Schaltung des Halbleiterkristalls (Sub) oder das planare Substrat (Sub) über Mittel und/oder Elektroden und/oder magnetfelderzeugende Vorrichtungsteile verfügt, die dazu vorgesehen sind, die Wechselwirkung der mindestens zwei Farbzentren (FZ) zu erfassen und/oder zu beeinflussen.
20. Quantentechnologisches und/oder mikro-elektrooptisches und/oder mikroelektronisches und/oder photonisches System
- mit einem planaren Substrat (Sub);
- mit einem ersten Teilbereich eines ersten kolloidalen Films (FM), der zumindest einen ersten Nanopartikel (NP) mit einem Farbzentrum (FZ) aufweist und
- mit einem zweiten Teilbereich eines zweiten kolloidalen Films (FM), der zumindest einen zweiten Nanopartikel (NP) mit ferromagnetischen Eigenschaften in zumindest einem Teilbereich dieses Nanopartikels (NP), aufweist und
- wobei der erste kolloidale Film (FM) mit dem zweiten kolloidalen Film (FM) identisch sein können und
- wobei der erste Teilbereich mit dem zweiten Teilbereich identisch sein können und
- wobei der erste Nanopartikel und der zweite Nanopartikel identisch sein können.
21. Quantentechnologisches und/oder mikro-elektrooptisches und/oder mikroelektronisches und/oder photonisches System nach dem vorhergehenden Anspruch
- mit einem planaren Substrat (Sub);
- mit einem ersten Teilbereich eines ersten kolloidalen Films (FM), der zumindest einen ersten Nanopartikel (NP) mit einem Farbzentrum (FZ) aufweist und
- wobei der Nanopartikel (NP) mit einer Teilvorrichtung in Form eines
Ausrichtungshilfsmittels (Fe) versehen ist, die eine Ausrichtung und/oder Positionierung des Nanopartikels (NP) und/oder die Ausrichtung zumindest einer Achse (AS) des Nanopartikels (NP) erlaubt.
22. Verfahren zur Herstellung eines quantentechnologischen und/oder mikro-elektrooptischen und/oder mikroelektronischen und/oder photonischen Systems mit den Schritten:
- Bereitstellen eines planaren Substrats (Sub) wobei es sich bei dem planaren Substrat (Sub) zumindest teilweise • um einen Halbleiter-Wafer und/oder ein anderes Halbleitersubstrat oder einen Silizium-Wafer oder einen ein GaAs-Wafer oder einen Wafer aus IV-Material oder einen Wafer aus Ill/V-Material oder einen Wafer aus Il/Vl-Material oder einen Wafer aus Mischungen solcher Materialien oder einen Germanium-Wafer oder einen mono- oder polykristallinen Diamant-Wafer oder einen Teil derselben handelt, oder
• um einen Glas-Wafer und/oder einen Keramik-Wafer und/oder oder ein
Metallblech oder eine Kunststoffplatte oder einen Teil derselben handelt;
- Aufbringen und ggf. Strukturieren eines kolloidalen Films (FM), der zumindest einen Nanopartikel (NP) mit einem Farbzentrum (FZ) aufweist, insbesondere auch durch Belacken und/oder Bedrucken und/oder Besprühen und/oder lokales Benetzen;
- 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) erlaubt.
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