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

Im Rahmen dieser Arbeit wurden auf der Basis von heteroepitaktischen undpolykristallinen Diamantschichten auf Silizium unter Anwendung einer generischenMaterial- und Herstellungstechnologie verschiedene Mikrosysteme entwickelt.Dieses Materialsystem wurde in den vergangenen Jahren zunehmend fürden Einsatz in solchen Systemen als das ultimative Material prognostiziert, speziellfür die Entwicklung von Mikroaktoren und Mikrosensoren [1-8]. Gerade inmikroelektromechanischen Systemen (MEMS) ist Diamant durch seine exzellentenMaterialeigenschaften herkömmlichen Standardmaterialien wie Silizium oderGalliumarsenid meist deutlich überlegen. Die gegenwärtigen Abscheidemethodenvon Diamant verhindern jedoch in sehr vielen Fällen eine monolithische Einbindungder Diamantaktoren in elektronische Schaltungen. Das Hauptproblemliegt dabei in den Wachstumstemperaturen im Bereich von 700 - 900 ?C in wasserstoffreduzierenderAtmosphäre. Auf der anderen Seite sind CMOS-ähnlicheSysteme in Diamant bisher noch nicht realisiert worden, da keine geeignetenDotierstoffe mit nennenswerter Aktivierungsenergie zur Erzeugung einer p- odern-Leitfähigkeit (bei Raumtemperatur) bekannt sind.Aus diesen Gründen wurden in jüngster Zeit zwei unterschiedliche Konzepteverfolgt, um diamantbasierende MEMS zu entwickeln. Ein Ansatz ist die Verwendungvon ultrananokristallinem Diamant (UNCD), der bei Temperaturen bisunter 400 ?C abgeschieden werden kann [9]. Hierbei werden allerdings die thermischenund chemischen Materialeigenschaften zum Teil stark beeinträchtigt,was gerade bei Hochleistungs- und Hochtemperaturanwendungen eine bedeutendeRolle spielt. Der andere, in dieser Arbeit verwendete Ansatz, ist eine hybrideIntegration von Diamantbauelementen auf einem Fremdsubstrat.Die vorliegende Arbeit beschreibt nun die grundlegenden Aspekte zur Realisierungsolcher Systeme und erörtert an unterschiedlichen Kriterien die Vorteileder entwickelten Technologie. Es werden Anwendungen vorgestellt, die aufGrundlage dieser Technologie realisiert wurden, mitunter verschiedene mikromechanischeAktoren unterschiedlicher Antriebsart, daraus aufgebaute, integrierteSchalter sowie ein Patch-Clamp-System zur Untersuchung biologischer Zellen.Allen Anwendungen ist dabei die für viele Einsatzzwecke nutzbare Technologieder diamantbasierenden Komponenten gemeinsam. Für die Entwicklung derBauelemente wurden aus den unterschiedlichen Typen heteroepitaktischer Diamantschichtendünne nanokristalline Filme (NCD; nanocrystalline diamond) [10]ausgewählt, die Schichtdicken im Mikrometerbereich besaßen. Diese Schichtenkommen in ihren Materialeigenschaften dem einkristallinen Diamant weitestgehendnahe und besitzen außerdem eine für die halbleitertechnologischen Herstellungsschritttegeeignete Oberflächenglattheit. Darüber hinaus ist die Diamantdünnschichttechnologievom wirtschaftlichen Standpunkt aus gesehen für eineindustrielle Verwertung bereits gut etabliert.