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Herstellung und Charakterisierung eines CMOS-kompatiblen Multi-Elektroden-Arrays, nanomodifiziert mit Kohlenstoff-Nanoröhren und Ruthenium-Nano-Rasen

 
: Jupe, A.

:
Volltext ()

Duisburg-Essen, 2015, 230 S.
Duisburg-Essen, Univ., Diss., 2015
URN: urn:nbn:de:hbz:464-20150527-083535-0
Deutsch
Dissertation, Elektronische Publikation
Fraunhofer IMS ()

Abstract
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung und Charakterisierung CMOS-kompatibler, nanomodifizierter Multi-Elektroden-Arrays (MEA). Als Nanomodifizierung werden Kohlenstoff-Nanoröhren und ein neuartiger Ruthenium-Nano-Rasen auf einem Multi-Elektroden-Array (Basis-CMOS-MEA) appliziert. Die Besonderheit liegt in der direkten Prozessierung der nanomodifizierten Schichten in einem Post-CMOS-Prozess. Da die Prozesstemperaturen für die Synthese von Kohlenstoff-Nanoröhren mit Hilfe thermischer CVD-Prozesse üblicherweise 700 °C betragen, ist eine direkte Synthese auf einem Standard-CMOS-Substrat mit Aluminium-Metallisierung nicht möglich. Die maximal erlaubte Temperatur für integrierte Schaltungen liegt hier bei 450 °C. Erhöhte Temperaturen führen normalerweise zu irreversiblen Parameterverschiebungen der elektronischen Bauelemente oder zu einer irreparablen Schädigung der Metallisierung und damit zu einer signifikanten Widerstandserhöhung. Daher werden in der vorliegenden Arbeit zunächst Temperaturversuche bis 700 °C, zeitlich begrenzt auf 30 min, mit etablierten Hochtemperatur-CMOS-Technologien durchgeführt und hinsichtlich ihrer Tauglichkeit zur direkten CNT-Synthese untersucht. In den Versuchen zeigt sich, dass eine CMOS-Technologie auf Basis eines Bulk-Substrates mit hochtemperaturstabiler Wolfram-Metallisierung nur eine geringe Schwellenspannungsverschiebung nach einem 700 °C (30 min) Temperaturschritt aufweist. Mit diesem Kenntnisstand wird ein entsprechendes CMOS-kompatibles, planarisiertes Multi-Elektroden-Array in der evaluierten Hochtemperaturtechnologie hergestellt. Als Elektrodenmaterial dient ein 70 nm dünner Schichtstapel aus Titan und Titannitrid. Auf diesem leitfähigen, biokompatiblen und biostabilen Material werden auf Testsubstraten Versuche zur direkten Abscheidung von Kohlenstoff-Nanoröhren vorgenommen. Insbesondere der Einfluss eines für die CNT-Synthese notwendigen Katalysators wird untersucht. So zeigt sich, dass bei Verwendung eines Eisen-Platins-Mischkatalysators die Synthesetemperatur der Kohlenstoff-Nanoröhren auf 620 °C reduziert werden kann. Mit den optimierten Prozessparametern wird anschließend das Basis-CMOS-MEA mit Kohlenstoff-Nanoröhren modifiziert. Ein weiterer Fokus dieser Arbeit liegt in der Entwicklung eines neuartigen Nano-Rasens aus Ruthenium. Dazu wird auf einer Opferschicht der Nano-Rasen mit fotolithografischen Mitteln maskiert und mit einem anisotropen Ätzverfahren strukturiert. Das Template wird mit Hilfe der Atomlagenabscheidung mit Ruthenium aufgefüllt und anschließend durch entfernen der Opferschicht freigelegt. Auf diese Weise können dreidimensionale Strukturen aufgebaut werden, die ebenfalls für andere mikrosystemtechnische Applikationen genutzt werden können. Für einen Vergleich der erzeugten Nanomodifizierungen mit Standard-Elektrodenmaterialien werden in dieser Arbeit zudem Elektroden mit Gold, Platin, Iridium und Iridiumoxid beschichtet. Die unterschiedlich nanomodifizierten Multi-Elektroden-Arrays erfordern ausgewählte Konzepte der Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT). Daher werden in einem weiteren Teil der Arbeit zwei AVT-Konzepte vorgestellt und diskutiert. Die elektrochemische Charakterisierungen der Multi-Elektroden-Arrays erfolgen mit Hilfe der elektrochemischen Impedanzspektroskopie und der Cyclovoltammetrie. Es zeigt sich eine Steigerung der Ladungstransferkapazität der nanomodifizierten Multi-Elektroden-Arrays. Erste biologische Zelluntersuchungen werden präsentiert.

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-418816.html