DE102006009696A1

DE102006009696A1 - Bauteil für die Nano- und Molekularelektronik

Info

Publication number: DE102006009696A1
Application number: DE102006009696A
Authority: DE
Inventors: Stephan Dr. Kronholz; Silvia Dr. Karthäuser
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 2006-03-02
Filing date: 2006-03-02
Publication date: 2007-09-06
Anticipated expiration: 2026-03-03
Also published as: DE102006009696B4

Abstract

Das erfindungsgemäße Bauteil weist eine Beschichtung auf, die einfach herzustellen ist und die Bauteiloberfläche dennoch auch unter mechanischer, elektrischer oder chemischer Beanspruchung dauerhaft vor Umwelteinflüssen schützt. Die Beschichtung besteht aus einer Grundschicht aus einem polymerhaltigen Material und einer Schutzschicht aus einem weiteren polymerhaltigen Material, wobei die Kettenlängen der Materialien sich um einen Faktor von mindestens 2 unterscheiden. Dadurch weisen beide Materialien verschiedene vorteilhafte Eigenschaften auf, die im Verbund der beiden Schichten miteinander kombiniert werden. Insbesondere ist dieser Verbund besser gegen Rissbildung durch mechanische, elektrische oder chemische Beanspruchung geschützt als Beschichtungen nach dem Stand der Technik. Daher ist das erfindungsgemäße Bauteil besonders in der Nano- und Molekularelektronik einsetzbar, wo Signalstörungen durch die Rissbildung vermieden werden müssen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauteil für die Nano- und Molekularelektronik sowie ein Verfahren zur Herstellung derselben.

Stand der Technik

Ein Halbleiterbauelement besteht aus einem Substrat, auf das signalverarbeitende halbleitende Strukturen aufgebracht sind. Diese signalverarbeitenden Strukturen sind durch metallische Leiterbahnen miteinander verbunden. In der Molekularelektronik treten einzelne Moleküle an die Stelle halbleitender Strukturen. Damit durch Umwelteinflüsse weder die verarbeiteten Signale verfälscht noch die empfindlichen Leiterbahnen beim Aufbringen der Moleküle zerstört werden, wird das Bauelement mit einer Schutzschicht versehen. In der Molekularelektronik muss sichergestellt sein, dass das Lösungsmittel, mit dessen Hilfe Moleküle vielfach in elektronische Bauelemente eingefügt werden, keine Kurzschlüsse der Leiterbahnen verursacht.

Typischerweise wird die Schutzschicht mittels PECVD (plasmaenhanced chemical vapour deposition) oder LPCVD (low pressure chemical vapour deposition) hergestellt. Dieser Prozess ist sehr aufwändig und erfordert Reaktionstemperaturen zwischen 150°C und 600°C, was das Einsatzfeld drastisch einschränkt. Zudem sind die entstehenden Schichten nicht beständig gegen aggressive Gase oder Flüssigkeiten, wie beispielsweise Schwefelsäure oder Salzsäure. Das nachträgliche Entfernen eines Teils der Beschichtung, beispielsweise um definierte elektrische Kontakte mit der Außenwelt herzustellen, ist nur schwer möglich und erfordert den Einsatz zusätzlicher Strukturierungsverfahren. Hierfür wird beispielsweise Elektronenstrahllithographie verwendet.

Durch Spin-Coating herstellbare Schichten sind zwar schneller und einfacher herzustellen, weisen aber häufig unter mechanischer, elektrischer oder chemischer Beanspruchung nach kurzer Zeit Risse auf. Gasartige oder flüssige Substanzen können so unkontrolliert auf die Bauteiloberfläche vordringen und die Signalverarbeitung stören. Im Bereich der Nano- und Molekularelektronik können die Störungen in der Größenordnung des verarbeiteten Signals oder sogar darüber liegen.

Aufgabe und Lösung

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Bauteil mit einer Beschichtung zur Verfügung zu stellen, die einfach herzustellen ist und die Bauteiloberfläche dennoch auch unter mechanischer, elektrischer oder chemischer Beanspruchung dauerhaft vor Umwelteinflüssen schützt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Bauteil gemäß Hauptanspruch sowie durch ein Verfahren gemäß Nebenanspruch. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich jeweils aus den darauf rückbezogenen Unteransprüchen.
Gegenstand der Erfindung
Im Rahmen der Erfindung wurde ein Bauteil entwickelt, das ein Substrat, eine darauf aufgebrachte Struktur und eine Substrat und Struktur bedeckende polymerhaltige Schicht, bestehend aus Grundschicht und Schutzschicht, umfasst. Das Substrat kann beispielsweise ein Siliziumwafer sein, dessen oberflächennaher Bereich durch Oxidation in elektrisch isolierendes Siliziumdioxid umgewandelt wurde. Die Struktur kann beispielsweise eine metallische Leiterbahn eines integrierten Schaltkreises sein.
Erfindungsgemäß ist auf der Grundschicht mindestens eine Schutzschicht aus einem anderen polymerhaltigen Material angeordnet, wobei die Kettenlänge der Polymeranteile in der Schutzschicht mindestens doppelt so groß, insbesondere mindestens fünfmal so groß, ist wie in der Grundschicht. Es wurde erkannt, dass die Schutzschicht wesentlich härter ist als die Grundschicht und sich durch diese Kombination überraschenderweise eine Rissbildung in der Grundschicht unterdrücken lässt: Ursache für die Rissbildung ist mechanischer Stress. Dieser entsteht beispielsweise beim Anlegen elektrischer Spannungen an die signalverarbeitenden Bauelemente, insbesondere an Kanten der metallischen Strukturen, die das lokale elektrische Feld deutlich verstärken. Mechanischer Stress und damit Risse entstehen aber auch bei thermischer Beanspruchung durch unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien. Durch die erfindungsgemäße Kopplung an die harte Schutzschicht absorbiert nun die vergleichsweise elastische Grundschicht den mechanischen Stress unabhängig von seiner Quelle deutlich besser als dies die Schutzschicht als Einzelschicht könnte. Im Ergebnis wird die Rissbildung in der Grundschicht unterdrückt, während zugleich die Schutzschicht die Grundschicht vor aggressiven Umwelteinflüssen schützt.
Da die Rissbildung unterdrückt wird, werden Störsignale, die durch das Eindringen flüssiger oder gasförmiger chemischer Substanzen auf die Bauteiloberfläche oder auch durch elektrischen Kurzschluss der Leiterbahnen bewirkt werden können, vollständig unterbunden. Dies ist Voraussetzung dafür, dass das Bauteil mit integrierten Biomolekülen, organischen Molekülen oder anorganischen Clustern zur Signalverarbeitung verwendet werden kann. Nach dem Stand der Technik wird eine Rissbildung in der Grundschicht und damit ein entsprechendes Störsignal schlichtweg hingenommen, da die Stärke des Störsignals weit unterhalb der Signalstärke heutiger technischer Anwendungen liegt. Eine Rissbildung tritt bei einem nur mit einer Schutzschicht ausgestatteten Bauteil nach dem Stand der Technik regelmäßig auf und lässt sich insbesondere durch die nahe liegende Vergrößerung der Schichtdicke nicht verhindern. Nano- oder molekularelektronische Bauelemente, wobei Moleküle oder Nanopartikel durch Selbstorganisation aus der Lösung in die Bauelemente integriert werden, mit wesentlich schwächeren Signalen als in der heutigen Elektronik sind mit Bauteilen nach dem Stand der Technik daher nicht möglich, da sich die Signale von Molekülen grundsätzlich mit den Signalen aus Rissen überlagern.
Die Schutzschicht verbessert darüber hinaus die Lebensdauer des Bauteils. Langkettige Polymere sind wesentlich widerstandsfähiger gegen aggressive Gase oder Flüssigkeiten, wie beispielsweise Schwefelsäure oder Salzsäure, als kurzkettige Polymere. Zugleich decken gerade die kurzkettigen Polymere in der Grundschicht kleinste Strukturen im Nanometerbereich ideal dicht ab, wodurch die Haftung der Grundschicht verbessert wird. Die erfindungsgemäße Kombination zweier Polymere mit verschiedenen Kettenlängen vereint somit die guten Haft- und Deckungseigenschaften kurzkettiger Polymere mit der Beständigkeit langkettiger Polymere. Nach dem Stand der Technik gab es nur eine Schutzschicht, für deren Kettenlänge ein Kompromiss gefunden werden musste.
Die Kettenlänge der Polymeranteile lässt sich beispielsweise mittels UV-Photospektrometrie am fertigen Bauteil überprüfen. Damit ist auch in der Massenfertigung eine kostengünstige und effektive, ja sogar berührungsfreie Qualitätskontrolle möglich.
Vorteilhaft besteht die Grundschicht aus einem Polymethylmethacrylat, während die Schutzschicht aus einem anderen Polymethylmethacrylat besteht. Polymethylmethacrylate (PMMA) sind in einer Vielzahl von Ausführungsformen als Fotolacke (Photoresists) verfügbar. Die Elastizitäten zweier fester Substanzen dieser Klasse verhalten sich genauso wie die Vis kositäten dieser Substanzen im flüssigen Zustand vor der Verarbeitung.
Fotolacke auf der Basis von Polymethylmethacrylat bieten darüber hinaus den Vorteil, dass die Schichten in besonders einfacher Weise an definierten Stellen durchbrochen werden können, um beispielsweise eine metallische Struktur mit der Außenwelt zu kontaktieren. Je nachdem, ob es sich um einen positiven oder negativen Fotolack handelt, werden hierfür die Stellen belichtet, an denen die Schicht erhalten bleiben beziehungsweise entfernt werden soll. Durch Entwickeln des Fotolacks werden die durch die Belichtung als überflüssig gekennzeichneten Stellen entfernt.
Vorteilhaft beträgt die Dicke der Grundschicht mindestens das 1,3-fache der Höhe der Struktur. Vorteilhaft ist die Schutzschicht mindestens doppelt so dick wie die Grundschicht. Wie sich experimentell herausgestellt hat, bewirken diese Maßnahmen einzeln oder auch in Kombination, dass die Rissbildung besonders zuverlässig verhindert wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Substrat Silizium. Dieses kann zwecks elektrischer Isolation einen 100 nm dicken, insbesondere einen mindestens 400 nm dicken Oberflächenbereich aus Siliziumdioxid SiO₂ aufweisen. Auf Silizium beziehungsweise Siliziumdioxid haften sowohl die Grundschicht als auch typische metallische Strukturen besonders gut.
Um den Einsatz für zahlreiche andere Substrate zu eröffnen, kann die Adhesion zwischen dem Substrat und der Grundschicht z.B. durch Haftvermittler (HMDS = Hexamethyldisiloxan) verbessert werden. Somit ist die Anwendung der hier beschriebenen Grund- und Schutzschichten ebenfalls z.B. auf Indiumzinnoxid (ITO), Saphir, Galliumarsenid (GaAs) etc. möglich.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Struktur auf der dem Substrat zugewandten Seite eine Titanschicht und auf der der Schutzschicht zugewandeten Seite eine Goldschicht auf. Das Titan haftet besonders gut auf gängigen Substraten wie beispielsweise Silizium. Gold ist dagegen ein sehr guter elektrischer Leiter, und es ist ein Metall, das zum Kontaktieren von thiolgruppenhaltigen Molekülen geeignet ist. Zusätzlich kann zwischen Titan- und Goldschicht eine Diffusionsbarriere aus Platin angeordnet sein, die eine Diffusion des Goldes durch das Titan in das Substrat verhindert.
Im Rahmen der Erfindung wurde ein Verfahren zum Aufbringen einer Anordnung aus einer Grundschicht und einer Schutzschicht auf ein Bauteil entwickelt. Bei diesem Verfahren werden sowohl das Material für die Grundschicht als auch das Material für die Schutzschicht nacheinander jeweils durch Spin-Coating aufgebracht und verfestigt. Es wurde erkannt, dass dadurch ein Verbund der beiden Materialien hergestellt werden kann, in dem sich vorteilhafte Eigenschaften der Materialien miteinander kombinieren lassen. Beispielsweise kann das Material der Grundschicht besonders gut auf dem Bauteil haften, während das Material der Schutzschicht besonders widerstandsfähig gegen Umwelteinflüsse, wie etwa aggressive Chemikalien, ist.
Vorteilhaft werden zwei Materialien gewählt, die sich im flüssigen Zustand in ihren Viskositäten um einen Faktor von mindestens 2, insbesondere um einen Faktor von mindestens 5, unterscheiden. Es wurde erkannt, dass Eigenschaften der festen Phase von Beschichtungsmaterialien, wie beispielsweise dichte Bedeckung auch kleinster Strukturen, mechanische Härte oder Widerstandsfähigkeit gegen Umwelteinflüsse, häufig mit deren Viskosität im flüssigen Zustand korrelieren. Gewünschte unterschiedliche Eigenschaften innerhalb des Materialverbundes lassen sich so besonders definiert und einfach herstellen.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden zwei polymerhaltige Materialien und hier insbesondere zwei Materialien aus der Klasse der Polymethylmethacrylate als Beschichtungsmaterialien gewählt. Diese Materialien sind in Form von Fotolacken (Photoresists) mit einer großen Bandbreite an Materialeigenschaften verfügbar. Vorteilhaft ist speziell die Kombination dieser Materialien mit der Wahl unterschiedlicher Viskositäten im flüssigen Zustand, da die Elastizität der Polymere im festen Zustand mit der – Kettenlänge im flüssigen Zustand korreliert ist. Herstellbar ist mit diesem Verfahren beispielsweise ein Verbund aus einer gummiartigen Grundschicht, die gut mechanischen Stress durch thermische oder elektrische Beanspruchung aufnimmt, und einer harten Schutzschicht, die gegen Umwelteinflüsse resistent ist. Eine solche Verbundschicht hat für Bauteile der Nano- und Molekularelektronik den Vorteil, dass die verarbeiteten Signale nicht mehr durch Störsignale beeinflusst werden, die durch an die Bauteiloberfläche gelangende chemische Substanzen oder elektrische Kurzschlüsse ausgelöst werden. Die Grundschicht deckt dabei auch kleinste Strukturen auf der Bauteiloberfläche dicht ab.
Fotolacke auf der Basis von Polymethylmethacrylat bieten darüber hinaus den Vorteil, dass die Schichten in besonders einfacher Weise an definierten Stellen durchbrochen werden können, um beispielsweise eine metallische Struktur mit der Außenwelt zu kontaktieren. Je nachdem, ob es sich um einen positiven oder negativen Fotolack handelt, werden hierfür die Stellen belichtet, an denen die Schicht erhalten bleiben beziehungsweise entfernt werden soll. Durch Entwickeln des Fotolacks werden die durch die Belichtung als überflüssig gekennzeichneten Stellen entfernt.
Vorteilhaft wird die Schutzschicht durch Ausbacken bei einer Temperatur von 200°C oder mehr, insbesondere bei einer Temperatur von 250°C oder mehr, verfestigt. Diese Temperatur liegt außerhalb des Bereichs, den die Hersteller von Fotolacken auf Basis von Polymethylmethacrylat für das Ausbacken vorgeben. Sie bewirkt aber, dass die Schutzschicht besonders widerstandsfähig gegen aggressive Chemikalien wird.
Spezieller Beschreibungsteil
Nachfolgend wird der Gegenstand der Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, ohne dass der Gegenstand der Erfindung dadurch beschränkt wird.
Das Substrat ist ein Silizium-Wafer, an dessen Oberfläche ein 400 nm dicker Bereich zwecks elektrischer Isolation zu Siliziumdioxid SiO₂ oxidiert ist.
Auf diesem Substrat werden Strukturen aufgebracht. Diese Strukturen bestehen jeweils aus einer Schicht aus Titan, Platin und Gold. Titan dient als Haftvermittler zum Silizium. Gold ist die eigentliche technische Funktionsschicht. Platin dient als Diffusionsbarriere, damit das Gold nicht durch das Titan in das Silizium diffundiert. Die Strukturen sind insgesamt etwa 60 nm hoch.
Zur Beschichtung werden zwei Fotolacke der Firma Allresist GmbH verwendet. Für die Grundschicht wird der Fotolack AR-P 631.01 durch Spin-Coating mit einer Umdrehungszahl von 5000 min^–1 aufgeschleudert und anschließend zum Verfestigen für eine Minute einer Temperatur von 100°C ausgesetzt. Für die Schutzschicht wird der Fotolack AR-P 661.04 durch Spin-Coating mit einer Umdrehungszahl von 4000 min^–1 aufgeschleudert und anschließend zum Verfestigen für 10 Minuten einer Temperatur von 250°C ausgesetzt.

Claims

Bauteil, umfassend ein Substrat mit einer darauf aufgebrachten Struktur sowie einer Substrat und Struktur bedeckenden Grundschicht aus einem polymerhaltigen Material, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Grundschicht mindestens eine Schutzschicht aus einem anderen polymerhaltigen Material angeordnet ist, wobei die Kettenlänge der Polymeranteile in der Schutzschicht mindestens doppelt so groß, insbesondere mindestens fünfmal so groß, ist wie in der Grundschicht.
Bauteil nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Grundschicht aus einem Polymethylmethacrylat und eine Schutzschicht aus einem anderen Polymethylmethacrylat.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 2, gekennzeichnet durch eine Grundschicht, deren Dicke mindestens das 1,3-fache der Höhe der Struktur beträgt.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Schutzschicht, die mindestens doppelt so dick ist wie die Grundschicht.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch Silizium als Substrat.
Bauteil nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch ein Substrat mit einem mindestens 100 nm dicken, insbesondere einem mindestens 400 nm dicken Oberflächenbereich aus Siliziumdioxid SiO₂.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine zusätzliche Haftvermittlerschicht zwischen Substrat und Grundschicht.
Bauteil nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Haftvermittlerschicht umfassend Hexamethyldisiloxan.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine Struktur, die auf der dem Substrat zugewandten Seite eine Titanschicht und auf der der Schutzschicht zugewandeten Seite eine Goldschicht aufweist.
Verfahren zum Aufbringen einer Anordnung aus einer Grundschicht und einer Schutzschicht auf ein Bauteil, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl das Material für die Grundschicht als auch das Material für die Schutzschicht nacheinander jeweils durch Spin-Coating aufgebracht und anschließend verfestigt werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Materialien gewählt werden, die sich im flüssigen Zustand in ihren Viskositäten um einen Faktor von mindestens 2, insbesondere um einen Faktor von mindestens 5, unterscheiden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwei polymerhaltige Materialien, insbesondere zwei Materialien aus der Klasse der Polymethylmethacrylate gewählt werden.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht durch Ausbacken bei einer Temperatur von 200°C oder mehr, insbesondere bei einer Temperatur von 250°C oder mehr, verfestigt wird.