Joachim Kusterer - Technologie von MEMS-Elementen auf der Basis nanokristalliner Diamantschichten für eine hybride Integration

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Produktbeschreibung

Im Rahmen dieser Arbeit wurden auf der Basis von heteroepitaktischen und polykristallinen Diamantschichten auf Silizium unter Anwendung einer generischen Material- und Herstellungstechnologie verschiedene Mikrosysteme entwickelt. Dieses Materialsystem wurde in den vergangenen Jahren zunehmend für den Einsatz in solchen Systemen als das ultimative Material prognostiziert, speziell für die Entwicklung von Mikroaktoren und Mikrosensoren [1—8]. Gerade in mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) ist Diamant durch seine exzellenten Materialeigenschaften herkömmlichen Standardmaterialien wie Silizium oder Galliumarsenid meist deutlich überlegen. Die gegenwärtigen Abscheidemethoden von Diamant verhindern jedoch in sehr vielen Fällen eine monolithische Einbindung der Diamantaktoren in elektronische Schaltungen. Das Hauptproblem liegt dabei in den Wachstumstemperaturen im Bereich von 700 - 900 ?C in wasserstoffreduzierender Atmosphäre. Auf der anderen Seite sind CMOS-ähnliche Systeme in Diamant bisher noch nicht realisiert worden, da keine geeigneten Dotierstoffe mit nennenswerter Aktivierungsenergie zur Erzeugung einer p- oder n-Leitfähigkeit (bei Raumtemperatur) bekannt sind. Aus diesen Gründen wurden in jüngster Zeit zwei unterschiedliche Konzepte verfolgt, um diamantbasierende MEMS zu entwickeln. Ein Ansatz ist die Verwendung von ultrananokristallinem Diamant (UNCD), der bei Temperaturen bis unter 400 ?C abgeschieden werden kann [9]. Hierbei werden allerdings die thermischen und chemischen Materialeigenschaften zum Teil stark beeinträchtigt, was gerade bei Hochleistungs- und Hochtemperaturanwendungen eine bedeutende Rolle spielt. Der andere, in dieser Arbeit verwendete Ansatz, ist eine hybride Integration von Diamantbauelementen auf einem Fremdsubstrat. Die vorliegende Arbeit beschreibt nun die grundlegenden Aspekte zur Realisierung solcher Systeme und erörtert an unterschiedlichen Kriterien die Vorteile der entwickelten Technologie. Es werden Anwendungen vorgestellt, die auf Grundlage dieser Technologie realisiert wurden, mitunter verschiedene mikromechanische Aktoren unterschiedlicher Antriebsart, daraus aufgebaute, integrierte Schalter sowie ein Patch-Clamp-System zur Untersuchung biologischer Zellen. Allen Anwendungen ist dabei die für viele Einsatzzwecke nutzbare Technologie der diamantbasierenden Komponenten gemeinsam. Für die Entwicklung der Bauelemente wurden aus den unterschiedlichen Typen heteroepitaktischer Diamantschichten dünne nanokristalline Filme (NCD; nanocrystalline diamond) [10] ausgewählt, die Schichtdicken im Mikrometerbereich besaßen. Diese Schichten kommen in ihren Materialeigenschaften dem einkristallinen Diamant weitestgehend nahe und besitzen außerdem eine für die halbleitertechnologischen Herstellungsschrittte geeignete Oberflächenglattheit. Darüber hinaus ist die Diamantdünnschichttechnologie vom wirtschaftlichen Standpunkt aus gesehen für eine industrielle Verwertung bereits gut etabliert.