Technologie von MEMS-Elementen auf der Basis nanokristalliner Diamantschichten für eine hybride Integration (PDF)

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.