Entwicklung eines integrierten, nanoskaligen Quecksilbersensors auf Basis chemisch abgeschiedener Goldschichten

Abstract

Eine Verkleinerung der Strukturweiten in der Halbleitertechnik bietet u.a. Vorteile einer höheren Schaltfrequenz und geringeren Gatekapazität. Ein weiterer, auch aus wirtschaftlichem Gesichtspunkt wichtiger Aspekt ist die geringere Fläche eines einzelnen Transistors, aus der eine höhere Packungsdichte und damit bei gleicher Transistoranzahl geringerer Siliziumflächenbedarf resultiert. Um Strukturen in Größenordnungen von sub-100 nm erstellen zu können, sind neben technologischen Aspekten, die verwendeten Lithographiesysteme ein entscheidender Faktor. Im industriellen Halbleiterbereich stellt die Anschaffung aktueller Lithographiesysteme einen erheblichen Kostenfaktor dar. Für öffentliche Forschungseinrichtungen sind diese Geräte schwer zu finanzieren, so dass für die in dieser Arbeit hergestellten nanoskaligen (sub-100 nm) Strukturen das Depositions- und Rückätzverfahren zur Anwendung kommt. Dieses Verfahren ermöglicht es, mittels konventioneller (kostengünstiger) Abscheide- und Ätzanlagen Strukturen im sub-100 nm Bereich zu definieren bzw. zu erstellen. Eine solche, nach dem genannten Verfahren erstellte poly-Siliziumstruktur findet in der vorliegenden Arbeit Anwendung als nanoskaliger Quecksilbersensor. Das Detektionsprinzip basiert auf der Amalgamierung einer wenige zehn Nanometer dicken Goldschicht, aufgebracht auf einem mittels Depositions- und Rückätzverfahrens erstellten sub-100 nm breiten poly-Siliziumsteg, in der zu detektierenden Quecksilberatmosphäre. Als Messgröße wird die aus der Amalgamierung resultierende Änderung des Ohm’schen Widerstandes herangezogen. Bei dem vorgestellten Sensor handelt es sich nicht um einen Wegwerfsensor („Disposalsensor“), das verwendete Prinzip erlaubt vielmehr die Nutzung des Nanostegs als Wärmequelle (Widerstandsheizdraht), wodurch eine Desorption des Quecksilbers von der Goldoberfläche und damit eine Regenerierung des Sensors durchgeführt werden kann. Dies ermöglicht die wiederholte Verwendung des Sensors zur Quecksilberdetektion. Um den finanziellen Aufwand des Herstellungsverfahrens zu minimieren und die von technologischer Seite erforderliche konforme, von allen Seiten den Sensor-Nanosteg umschließende Goldschicht aufzubringen, ist der Ansatz der chemischen Abscheidung in wässriger Lösung in einem zweistufigen Prozess, beginnend mit der Aufbringung einer Nukleationsschicht aus Gold-Nanopartikeln und anschließender Nutzschichtaufwachsung in einer Formierlösung verfolgt und auf seinen Einsatz und Verwendbarkeit hin untersucht und angewendet worden.