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

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.The present work deals with the fabrication and characterization of CMOS-compatible nano-modified multi-electrode arrays (MEA). Carbon nanotubes and a novel ruthenium nano-lawn are applied on a multi-electrode array (Base-CMOS-MEA) as nano-modifications. The special feature is the direct processing of these nano-modified layers in a post CMOS process. Since the process temperature for the synthesis of carbon nanotubes by thermal CVD processes is typically in the range of 700 °C, the direct synthesis on a standard CMOS substrate with aluminum metallization is normally impossible. The hightest allowed temperature for integrated circuits is about 450 °C. More higher temperatures normally lead to irreversible parameter shifts of the electronic components or to a degradation of the metallization and therefore to a significant increase of the electric resistance. In the first part of the present thesis, annealing studies up to 700 °C, limited for 30 min, are performed on established high-temperature CMOS technologies for testing the suitability of direct synthesis of carbon nanotubes. The findings of the annealing experiments shows that a special CMOS technology, based on a bulk substrate with high-temperature-stable tungsten metallization, have only a low threshold voltage shift after the 700 °C (30 min) annealing. With this knowledge, a corresponding CMOS-compatible, planarized multi-elektrode array is produced in the evaluated high-temperature technology. The electrode material is composed of a 70 nm thin layer stack of titanium and titanium nitride. The direct deposition of carbon nanotubes are performed on test substrates of this conductive, biocompatible and biostable material. In particular the influence of a necessary catalyst for CNT synthesis is studied. The studies exhibit a significant decrease of the CNT synthesis temperature to 620 °C by using an iron-platinum composite catalyst. The Base-CMOS-MEA is nano-modified with carbon nanotubes using the optimized process parameters. Another focus of the present work is the development of a novel nano-lawn of ruthenium. A sacrificial layer is masked by photolithography of the nano-lawn and structured with an anisotropic etching process. The template is filled by use of atomic layer deposition of metallic ruthenium. The ruthenium nano-lawn is released by isotropic etching of the sacrificial layer. With this new technique, three-dimensional structures can be built, which can also be used for other microsystems applications. For a comparison of the nano-modified electrodes with standard electrodes, coatings of gold, platinum, iridium, and iridium oxide are also performed on the Base-CMOS-MEA. The different nano-modified multi-electrode arrays require selected concepts of packaging. Therefore, in another part of this work, two concepts of packaging are presented and discussed. The electrochemical characterization of the multi-electrode arrays are performed by electrochemical impedance spectroscopy and cyclic voltammetry. The findings shows an increase of the charge transfer capacity for nano-modified electrodes. First biological cell studies are presented

Correlation of structural and optical properties using virtual materials analysis

Thin film growth of TiO2 by physical vapor deposition processes is simulated in the Virtual Coater framework resulting in virtual thin films. The simulations are carried out for artificial, simplified deposition conditions as well as for conditions representing a real coating process. The study focuses on porous films which exhibit a significant anisotropy regarding the atomistic structure and consequently, to the index of refraction. A method how to determine the effective anisotropic index of refraction of virtual thin films by the effective medium theory is developed. The simulation applies both, classical molecular dynamics as well as kinetic Monte Carlo calculations, and finally the properties of the virtual films are compared to experimentally grown films especially analyzing the birefringence in the evaluation

Fabrication and electrochemical characterization of ruthenium nanoelectrodes

The Fraunhofer IMS has recently developed a technique for producing nanoelectrodes that are generated by atomic layer deposition (ALD) in a via deep reactive ion etching (DRIE) structured sacrificial layer. This method enables the fabrication of CMOS- and biocompatible nanoelectrodes with suitable ALD-materials. Improvements of the established fabrication processes and the electrochemical characterization of such electrodes are presented. In the frame of the Fraunhofer-Max-Planck cooperation project ZellMOS different types of nanoelectrodes are studied. Their diameter is in the range of 200 nm and thereby sufficiently small to be taken up by living cells. In addition, the electrodes are mechanically enforced by an oxide layer at the nanoelectrodes’ bottom

Dreidimensionaler Nanostrukturkörper und Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Nanostrukturkörpers

Die Erfindung betrifft einen dreidimensionalen Nanostrukturkörper (200) sowie ein Verfahren zum Erzeugen eines dreidimensionalen Nanostrukturkörpers (200). Das Verfahren beinhaltet unter anderem ein Bereitstellen eines Substrats (203) mit einem Opferschichtstapel (205), wobei der Opferschichtstapel (205) mindestens eine erste und eine zweite Opferschicht (205a, 205b) aufweist, und wobei der Opferschichtstapel (205) mindestens eine Öffnung (207) aufweist, die sich durch den Opferschichtstapel (205) hindurch bis zu dem Substrat (203) erstreckt. Ferner umfasst das Verfahren ein Anordnen einer ersten Materialschicht (201m) an zumindest einer Seitenwand (208) der Öffnung (207), und ein Anordnen einer zweiten Materialschicht (202m) auf der sich innerhalb der Öffnung (207) befindlichen ersten Materialschicht (201m). Erfindungsgemäß beinhaltet das Verfahren ein Entfernen der ersten Opferschicht (205a) und Entfernen von Teilen der ersten Materialschicht (201 m), die zuvor von der ersten Opferschicht (205a) bedeckt waren, unter Beibehaltung der zweiten Materialschicht (202m), und ein Entfernen der zweiten Opferschicht (205b) unter Beibehaltung der ersten und der zweiten Materialschicht (201m, 202m)

Fabrication and electrochemical characterization of ruthenium nanoelectrodes

The Fraunhofer IMS has recently developed a technique for producing nanoelectrodes that are generated by atomic layer deposition (ALD) in a via deep reactive ion etching (DRIE) structured sacrificial layer. This method enables the fabrication of CMOS- and biocompatible nanoelectrodes with suitable ALD-materials. Improvements of the established fabrication processes and the electrochemical characterization of such electrodes are presented. In the frame of the Fraunhofer-Max-Planckcooperation project ZellMOS different types of nanoelectrodes are studied. Their diameter is in the range of 200 nm and thereby sufficiently small to be taken up by living cells. In addition, the electrodes are mechanically enforced by an oxide layer at the nanoelectrodes’ bottom

Tapering of nanoelectrodes for an intracellular contact via a double hard mask technique

To realize an intracellular contact between nanoelectrodes and cells, a sufficient small electrode diameter is needed [1]. A sacrificial layer process developed by the Fraunhofer IMS using deep reactive ion etching and atomic layer deposition [2] is varied. A double hard mask technique is used to taper structures in a sacrificial layer and thereby the nanoelectrodes’ diameter. The principles and evaluation of the spacing technique, which allows the fabrication of sublithographic structures, are presented here

CMOS kompatible, nanomodifizierte Multi-Elektroden-Arrays

The integration of carbon nanotubes (CNT) on a CMOS compatible multi-electrode-array (MEA) is presented. Within the project InMEAs, CNTs are deposited directly on a high-temperature-stable MEA platform. The Fraunhofer IMS has developed a 0.8 µm bulk-substrate CMOS-technology based on tungsten metallization, in this case the threshold voltage is shifted only slightly after a temperature step of 700 °C / 30 min. By using the mixed catalyst PtFe the Fraunhofer IKTS could reduce the process temperature for CNT deposition to 620 °C

Fabrication of partly encapsulated vertical nanoelectrodes for an intracellular microelectrode array

In this work, a concept and proof of principle regarding a fabrication technique for vertical nanoelectrodes is presented. CMOS-compatible processes for the fabrication of three-dimensional tubes which are partly encapsulated by an insulation layer are conceived. An extended sacrificial layer technique using deep reactive ion etching (DRIE) and atomic layer deposition (ALD) of encapsulation and electrode material was developed. Additional spacing techniques for tapering of electrode diameter and tip post-lithographically are investigated. Finally, free-standing nanoelectrodes and test structures were produced. The resulting tunable nanoelectrode array can lead to a novel device for a bidirectional interface between integrated circuits and living cells

Mikrostrukturierung für super-hydrophobe Oberflächen in Electrowetting

In dieser Arbeit wird der Einfluss von freistehenden mikrostrukturierten ALD-Schichten auf die hydrophobe Oberflächeneigenschaft untersucht. Hierzu werden mit einer Opferschichttechnik freitragende Strukturen erzeugt. Zur Beeinflussung der Benetzung wird die Dichte der Mikrostrukturen variiert. Die experimentell gemessenen Werte für den Kontaktwinkel sind in guter Übereinstimmung mit den analytisch berechneten Werten. Für einen Abstand von b = 2 µm, 5 µm und 10 µm beträgt der Kontaktwinkel qexp = 139, 9°, 147,3° und 151,8°