DE102021129950B4 - Vorrichtung zur Messung von Potentialen und Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung von Potentialen an einer biologischen, chemischen oder anderen Probe, miteinem Substrat (2) undmindestens einem auf dem Substrat (2) angeordneten Nanodraht (6) aus einem halbleitenden Material, wobei der Nanodraht (6) mit einer Beschichtungsanordnung (11) versehen ist, welche eine Grundbeschichtung (12) aus einem dielektrischen Material umfasst. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung von Potentialen an einer biologischen, chemischen oder anderen Probe, mit einem Substrat und mindestens einem auf dem Substrat angeordneten Nanodraht aus einem halbleitenden Material, wobei der der Nanodraht mit einer Beschichtungsanordnung versehen ist, welche eine Grundbeschichtung aus einem dielektrischen Material umfasst, wobei die Beschichtungsanordnung ferner eine Deckschicht umfasst, welche Kohlenstoff aufweist oder daraus besteht.
  • Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung.
  • Eigenschaften insbesondere biologischer Proben hängen häufig mit der Aufnahme, Abnahme oder räumlichen Umorganisation elektrischer Ladungen zusammen. Dadurch können die Eigenschaften indirekt über Veränderungen von Potentialen gemessen werden, die diese Ladungen bei Annäherung an eine Messvorrichtung verursachen. Solche auch als Biosensor bezeichneten Messvorrichtungen umfassen meist ein Substrat, auf welchem ein Nanodraht aus einem halbleitenden Material, beispielsweise Silizium, angeordnet ist. An einem Ende ist der Nanodraht mit einem Source-Kontakt, an seinem anderen Ende mit einem Drain-Kontakt verbunden, bzw. solche Kontakte sind ausgebildet. Dabei ist die nicht auf dem Substrat aufliegende Oberfläche des Nanodrahts mit einer dielektrischen Beschichtung versehen, welche beispielsweise Siliziumoxid (SiO2) Aluminiumoxid (Al2O3), Hafniumoxid (HfO) oder eine Kombination dieser Werkstoffe aufweist. Von dem Nanodraht beabstandet ist ein sogenannter Liquid Gate-Kontakt angeordnet, welcher in eine flüssige, zu messende Probe eingetaucht wird, sodass die Anordnung aus Source-Kontakt, Drain- Kontakt, dem Nanodraht und dem Liquid- Gate- Kontakt einen Feldeffekttransistor bildet. Eine solche Anordnung ermöglicht die Messung von Eigenschaften biologischer Proben und kann auf dem Grundprinzip der CMOS-Technik basieren. Beispielsweise ist eine solche Anordnung aus der DE 10 2013 018 850 A1 vorbekannt.
  • Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist aus der US 2021 / 0 249 618 A1 vorbekannt. In dieser ist vorgesehen, dass ein Nanodraht mit einer Beschichtung versehen ist, welche elektrisch leitfähig ist und Kohlenstoff enthält. Weitere ähnliche Vorrichtungen sind aus der WO 2004/ 010 552 A1, der US 9 076 665 B2 , der DE 10 2016 010 764 A1 , der US 2007 / 0 178 477 A1 und der US 6 933 222 B2 vorbekannt.
  • Derartige Vorrichtungen haben sich grundsätzlich bewährt. Jedoch wird zu teilen als nachteilig empfunden, dass die Beschichtung des Nanodrahts mit einem dielektrischen Material oder einer Kombination mehrerer dielektrischen Materialien in Bioflüssigkeiten nicht immer stabil ist. Als Grund dafür können die geringe Qualität der dielektrischen Schichten angesehen werden, die mit relativ hohen Temperaturen hergestellt werden. Dadurch treten Defekte in den Beschichtungen auf, durch welche Ionen aus der Probe in die dünne dielektrische Schicht eindringen und mit der Zeit deren Ladungszustand verändern können.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine verbesserte Vorrichtung zur Messung von Potentialen an Proben zu schaffen, welche die vorstehend genannten Nachteile vermeidet. Ferner besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Herstellungsverfahren für solche Vorrichtungen anzugeben.
  • Diese Aufgabe ist bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Deckschicht diamantartig gebundenen Kohlenstoff und graphitartig gebundenen Kohlenstoff aufweist.
  • Der Erfindung liegt damit die Überlegung zugrunde, auf eine Grundbeschichtung aus einem dielektrischen Material eine weitere, kohlenstoffhaltige Schicht aufzubringen, so dass die zu messende Probe keine Möglichkeit mehr hat, mit der Grundbeschichtung aus einem dielektrischen Material in Kontakt zu kommen. Dadurch wird verhindert, dass Ionen aus der zu messenden Probe in die Grundbeschichtung eindringen können, so dass eine Veränderung des Ladungszustands der dielektrischen Beschichtung verhindert bzw. erheblich minimiert werden kann.
  • Die Deckschicht kann dabei direkt auf die Grundbeschichtung aufgebracht werden. Denkbar ist auch, dass weitere Zwischenschichten zwischen der Grundbeschichtung und der Deckschicht angeordnet bzw. ausgebildet sind. Je nach Ausgestaltung der Vorrichtung kann es auch sein, dass die Deckschicht auf einer größeren Oberfläche des Substrats, das heißt über den Nanodraht hinaus, ausgebildet ist, da bei gängigen Beschichtungsverfahren die Oberfläche des Substrats mitbeschichtet wird.
  • Erfindungsgemäß weist die Deckschicht diamantartig gebundenen Kohlenstoff und graphitartig gebundenen Kohlenstoff auf. Graphitartig gebundener Kohlenstoff und diamantartig gebundener Kohlenstoff stellen dabei verschiedene Modifikationen dar, in denen Kohlenstoff vorkommt. Die Modifikation des diamantartig gebundenen Kohlenstoffs basiert dabei auf der Bindungsstruktur sp3, das heißt die kovalent tetragonal gebundenen Kohlenstoffatome besitzen keine freien Elektronen. Graphitartig gebundener Kohlenstoff basiert demgegenüber auf der Bindungsstruktur sp2, wobei kovalent tetragonal gebundene Kohlenstoffatome hochfeste Ebenen formen, welche wiederum untereinander nur locker über van-der-Waals-Kräfte gebunden sind. Diamantartig gebundener Kohlenstoff zeichnet sich dabei durch eine hohe Festigkeit und chemische Stabilität aus, ist jedoch hinsichtlich seiner elektrischen Eigenschaften ein Isolator. Demgegenüber ist graphitartig gebundener Kohlenstoff elektrisch leitfähig, sodass die bevorzugt amorphe Kohlenstoffschicht, welche als Deckschicht fungiert, durch den graphitartig gebundenen Kohlenstoff eine hinreichende elektrische Leitfähigkeit aufweist, gleichzeitig durch den diamantartig gebundenen Kohlenstoff eine hohe Stabilität in biologischen Flüssigkeiten erzielt wird.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der Anteil an diamantartig gebundenen Kohlenstoff in der Deckschicht mindestens 30 Atom%, insbesondere mindestens 40 Atom%, bevorzugt mindestens 50 Atom%. Ein solcher relativ hoher Anteil von diamantartig gebundenem Kohlenstoff führt zu günstigen Schichteigenschaften.
  • Die Deckschicht kann ferner Fremdatome, insbesondere Bor, Silizium, Stickstoff, Molybdän, Chrom, Titan und/oder Eisen enthalten, wobei der Anteil der Fremdatome bevorzugt insgesamt höchstens 10 Atom% beträgt. Derartige Fremdatome können durch Verunreinigungen beim Abscheiden der Deckschicht eingebracht werden oder gezielt zur Beeinflussung der Eigenschaften in die Deckschicht eingebracht werden.
  • Die Deckschicht ist bevorzugt teilamorph oder amorph ausgebildet. Vom Grundtyp her ist die Deckschicht bevorzugt eine ta-C bzw. a-C-Schicht (gemäß ISO 20523:2017).
  • Bevorzugt beträgt die Dicke der Deckschicht mindestens 2 nm, insbesondere mindestens 3 nm und/oder höchstens 100 nm, insbesondere höchstens 20 nm. Eine derartige Dicke der Deckschicht führt einerseits zu einer lediglich äußerst geringen Änderung der elektrischen Eigenschaften eines Feldeffekttransistors, andererseits ist sie hinreichend dick, um chemisch stabil zu sein.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann mindestens ein, insbesondere jeder Nanodraht einen trapezförmigen oder einen dreieckigen Querschnitt aufweisen. Weist der Nanodraht einen trapezförmigen Querschnitt auf, so liegt er bevorzugt mit seiner längeren Grundseite des Trapezes direkt auf der Oberfläche des Substrats an. Der Nanodraht kann dabei eine Höhe von weniger als 60 nm aufweisen, wobei die Höhe bevorzugt in einem Bereich zwischen 1nm und 50nm liegt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann ferner dadurch gekennzeichnet sein, dass diese mindestens einen Feldeffekttransistor aufweist. In konkreter Ausgestaltung kann mindestens ein, insbesondere jeder Nanodraht der Vorrichtung Bestandteil eines Feldeffekttransistors sein und an einem Ende mit einem Source-Kontakt und an einem anderen Ende mit einem Drain-Kontakt verbunden sein oder solche aufweisen.
  • In an sich bekannter Weise kann jeder Feldeffekttransistor einen Gate-Kontakt umfassen, welcher von dem Nanodraht beabstandet ist und mit der Probe in Kontakt steht oder bringbar ist.
  • Die Vorrichtung kann Bestandteil eines Biosensors sein oder einen solchen bilden. Das bedeutet, dass die Vorrichtung direkt zur Messung an biologischen, chemischen oder anderen Proben eingesetzt werden kann.
  • In weiterer Ausgestaltung kann die Grundbeschichtung einlagig aufgebaut sein und insbesondere aus Siliziumoxid (SiO2) bestehen. Alternativ kann die Grundbeschichtung mehrlagig, insbesondere zweilagig aufgebaut sein und unmittelbar an den Nanodraht angrenzend eine innere Schicht aus einem ersten dielektrischen Material, insbesondere aus Siliziumoxid (SiO2), und eine äußere Schicht aus einem zweiten dielektrischen Material, insbesondere aus Aluminiumoxid (Al2O3), aufweisen. Bei dielektrischen Materialien handelt es sich um solche Materialien, die lediglich eine geringe oder keine elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Damit können beispielsweise nichtleitende Kunststoffe oder Keramiken als dielektrische Materialien gelten. Bevorzugte dielektrische Materialien für die vorliegende Anwendung sind Siliziumoxid, Aluminiumoxid oder Hafniumoxid.
  • Die Grundbeschichtung weist bevorzugt eine Dicke von mindestens 2 nm, insbesondere mindestens 5 nm und/oder bevorzugt von höchstens 100 nm, insbesondere höchstens 50 nm auf. Die Dicke der Grundbeschichtung hängt dabei von den angestrebten elektrischen Eigenschaften ab.
  • Bei dem halbleitenden Material, aus welchem der Nanodraht besteht, kann es sich beispielsweise um Silizium, Germanium oder ein anderes bekanntes halbleitendes Material handeln.
  • In weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann das Substrat einen Silizium-Wafer umfassen, wobei zwischen dem Silizium-Wafer und dem Nanodraht insbesondere eine Oxidschicht ausgebildet ist. Durch eine solche Oxidschicht wird der Nanodraht von dem Silizium-Wafer elektrisch getrennt.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die Deckschicht mit einer Schutzschicht überzogen sein, welche insbesondere Aluminiumoxid (Al2O3) enthält und/oder eine Dicke von mindestens 5 und/oder von höchstens 10 nm aufweist. Eine solche Schutzschicht kann eine standardisierte Ausführung zum Schutz der kohlenstoffhaltigen Deckschicht darstellen.
  • Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, welches die folgenden Schritte umfasst:
    • - Bereitstellen eines Substrats mit mindestens einem auf dem Substrat angeordneten Nanodraht aus einem halbleitenden Material;
    • - Beschichten des Nanodrahts mit einer Grundbeschichtung, welche eine Schicht aus einem dielektrischen Material umfasst;
    • - Abscheidung einer Deckschicht, welche Kohlenstoff aufweist oder daraus besteht.
  • Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass nacheinander zunächst die Grundbeschichtung aus dielektrischen Material und in einem separaten Schritt die kohlenstoffhaltige Deckschicht abgeschieden wird.
  • Bevorzugt wird die Grundbeschichtung durch thermisches Wachstum abgeschieden. Besitzt die Grundbeschichtung einen mehrlagigen Aufbau, so wird diese bevorzugt in mehreren sequentiellen Schritten erzeugt.
  • Die Deckschicht kann bevorzugt mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) und/oder chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) hergestellt werden. Bei der physikalischen Gasphasenabscheidung handelt es sich um ein vakuumbasiertes Beschichtungsverfahren zur Abscheidung dünner Schichten. Dabei wird mithilfe physikalischer Verfahren das Ausgangsmaterial in die Gasphase überführt, bevor es zum zu beschichtenden Gegenstand geführt wird. Physikalische Gasphasenabscheidung kann beispielsweise das thermische Verdampfen umfassen, bei welchem ein Beschichtungsmaterial soweit aufgeheizt wird, dass sich einzelne Teilchen aus seinem Atomverbund lösen und auf der Oberfläche des zu beschichtenden Bauteils kondensieren. Daneben existieren auch Sputtertechnologien, bei welchen Oberflächenatome aus einem Target, welches das Beschichtungsmaterial bildet, durch Sputtern, das heißt den Aufprall energiereicher Teilchen, meistens Argonionen, herausgelöst werden. Dem gegenüber wird bei der chemischen Gasphasenabscheidung auf der Oberfläche eines zu beschichtenden Bauteils aufgrund einer chemischen Reaktion aus der Gasphase eine Feststoffkomponente abgeschieden. Ein wesentlicher Vorteil der physikalischen Gasphasenabscheidung oder der chemischen Gasphasenabscheidung ist, dass die Abscheidung einer kohlenstoffhaltigen Deckschicht bei niedrigen Temperaturen ohne weiteres möglich ist. Die Temperatur kann dabei weniger als 300°C betragen, insbesondere unterhalb von 50°C liegen und bevorzugt nahe der Raumtemperatur liegen. Dadurch wird verhindert, dass - anders als bei anderen Verfahren zur Abscheidung von kohlenstoffhaltigen Schichten - die Komponenten der Feldeffekttransistoren beschädigt werden.
  • Bevorzugt wird zur Abscheidung der Deckschicht ein Plasma erzeugt. Die Plasmaerzeugung kann dabei durch den Beschuss eines Targets aus Graphit mit einem gepulsten Laser erfolgen. Dieses Verfahren, auch PLD genannt, ermöglicht die Bereitstellung eines Plasmas aus hochenergetischen Kohlenstoffatomen, welches zur Ausbildung einer Deckschicht mit diamantartigem Kohlenstoff führt.
  • Alternativ kann die Plasmaerzeugung mittels einer elektrischen Vakuumbogenentladung auf ein Graphittarget erfolgen. Bei diesem PVD-Verfahren erfolgt ein lokales Verdampfen auf einem Target mittels eines Vakuumlichtbogens. Dabei finden stromstarke Gasentladungen auf einem Graphittarget statt, die bewirken, dass das Target lokal durch die auftreffenden positiven Ionen so stark aufgeheizt wird, dass Material lokal thermisch verdampft. Die Zündung des Prozesses kann dabei durch einen Abreißfunken erfolgen. Der Bogenstrom wird letztlich konzentriert in einem Brennfleck, dem sogenannten Spot. Dieser ist sichtbar als hell leuchtender Fleck mit einem Durchmesser von etwa 1 mm und hat nur eine kurze Lebensdauer, da sich beim Verdampfen von Material lokal die Emissionsbedingungen verschlechtern und der Strom über eine andere Stelle fließt.
  • In weiterer Ausgestaltung kann ein Filter zwischen dem Target der Vorrichtung zur Vakuumbogenentladung und zur zu beschichtenden Vorrichtung angeordnet sein, um hochgeschleuderte Makroteile, beispielsweise sogenannte Droplets, zurückzuhalten. Dazu wird der Plasmafluss bevorzugt entlang magnetischer Linien in Richtung der zu beschichtenden Vorrichtung abgelenkt, während die Droplets auf einem sogenannten Baffle zurückgehalten werden. Ein Beispiel für einen solchen Filter, der in verschiedenen Bauformen eingesetzt werden kann, ist das sogenannte large area filtered arc source (LAFAS)- System, bei dem der Plasmafluss durch Ringmagneten um einen Winkel von etwa 90° umgelenkt wird, während die Makroteilchen, beispielsweise Droplets, durch die Magnetfelder kaum beeinflusst werden und nicht auf die beschichtende Vorrichtung gelangen können.
  • In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann ein gepulster Laser als Zündquelle für die gepulste Vakuumbogenentladung verwendet werden. Man spricht hier von dem sogenannten Laser-Arc-Verfahren.
  • Die Abscheidung der Deckschicht erfolgt bevorzugt in einer Vakuumkammer. Bevorzugt werden die zu beschichtenden Vorrichtungen an einem Substrathalter, welcher sich in der Vakuumkammer befindet, befestigt. Um eine gleichmäßige Beschichtung an einer Vielzahl von Vorrichtungen zu erzielen, kann der Substrathalter in Rotation versetzt werden. Insbesondere kann der Substrathalter derart ausgestaltet sein, dass die Vorrichtungen mehrere überlagerte rotatorische Bewegungen durchführen. Zur Beeinflussung der Beschichtung kann auch eine sogenannte BIAS-Spannung an dem Substrathalter angelegt werden. Dadurch können die Teilchenenergie der auftreffenden Teilchen und damit die Schichteigenschaften beeinflusst werden. Es ist auch denkbar, dass sowohl die Grundbeschichtung, als auch die Deckschicht in einer Vakuumkammer nacheinander abgeschieden werden.
  • Vorteilhafterweise wird die Vakuumkammer vor der Abscheidung der Deckschicht auf einen Druck unterhalb von 10-4 mbar, insbesondere unterhalb von 5×10-5 mbar evakuiert. Bei solchem Drücken können sehr reine Kohlenstoffschichten abgeschieden werden. Bevorzugt wird während der Abscheidung der Deckschicht ein überwiegend inertes Gas in die Vakuumkammer eingeleitet. Dabei kann es sich um reines Argon handeln; gleichermaßen ist es denkbar, dass Gemische überwiegend aus Argon mit geringen Anteilen Wasserstoff, insbesondere weniger als 5%, bevorzugt 2% Wasserstoff, in die Vakuumkammer eingeleitet werden.
  • In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vor der Abscheidung der Deckschicht ein Plasmaätzen der Oberfläche der Grundbeschichtung stattfinden. Dabei kann es sich um eine Vorbehandlung mittels einer Glimmentladung handeln, welche man auch als Sputterätzen bezeichnet und die bevorzugt in der Vakuumkammer stattfindet. Dadurch wird die Oberfläche der Grundbeschichtung gereinigt, sodass die Deckschicht mit einer hohen Adhäsion abgeschieden werden kann. Gleichzeitig wird die Intensität beim Plasmaätzen so eingestellt, dass es zu keinem nennenswerten Abtrag der obersten Lage der Grundbeschichtung kommt, sondern lediglich eine Aktivierung der Oberfläche stattfindet.
  • Um einen möglicherweise vorhandenen Wasserfilm auf dem Substrat bzw. auf dem Nanodraht zu beseitigen, kann vor dem Plasmaätzen die Vorrichtung aufgeheizt werden. Konkret kann dies in der Vakuumkammer bei einem Druck von weniger als 5×10-5 mbar durch Strahlungsheizen für eine Dauer von etwa 30 Minuten erfolgen.
  • Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird auf die Unteransprüche sowie auf die nachfolgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung verwiesen. In der Zeichnung zeigen
    • 1 eine schematische Darstellung eines Nanodraht- Feldeffekttransistors;
    • 2 einen Silizium-Wafer mit einer Vielzahl von Nanodraht- Feldeffekttransistoren in perspektivischer Darstellung;
    • 3 eine Detailansicht eines Nanodraht- Feldeffekttransistors in Draufsicht;
    • 4 eine Detailansicht der Darstellung aus 3;
    • 5 einen Nanodraht- Feldeffekttransistor aus den 3 und 4 im Querschnitt;
    • 6 ein XPS-Tiefenprofil des Nanodraht- Feldeffekttransistors aus den 3 bis 5;
    • 7 ein XPS Spektrum der Oberfläche des Nanodraht- Feldeffekttransistors der 3 bis 5.
  • Die 1 bis 5 zeigen eine Vorrichtung zur Messung von Potentialen einer biologischen, chemischen oder anderen Probe, welche vorliegend als Biosensor 1 ausgebildet ist.
  • Die Vorrichtung umfasst, wie insbesondere in den 1 und 5 erkennbar ist, ein Substrat 2, welches vorliegend aus einen Siliziumwafer 3 und einer obenseitigen, etwa 150 nm dicken Oxidschicht 4 besteht. Das Substrat 2, welches vorliegend für Testzwecke verwendet wird, ist dabei plattenförmig ausgebildet und hat eine quadratische Grundfläche mit einer Kantenlänge von etwa 11 mm.
  • Ferner umfasst die Vorrichtung, wie in 2 erkennbar ist, insgesamt 32 nebeneinander angeordnete Feldeffekttransistoren 5. Jeder Feldeffekttransistor 5 umfasst einen Nanodraht 6 aus Silizium mit einer Höhe von etwa 60 nm. Die Nanodrähte 6 besitzen, wie in 5 erkennbar ist, einen trapezförmigen Querschnitt. Dabei liegt die längere Grundseite des Trapezes direkt auf der Oberfläche des Substrats 2 an.
  • Jeder Nanodraht 6 ist, wie in der schematischen Darstellung der 1 erkennbar ist, an einem Ende mit einem Source-Kontakt 7 und an dem anderen Ende mit einem Drain-Kontakt 8 verbunden. Ferner umfasst jeder Feldeffekttransistor 5 einen Gate-Kontakt 9, der oberhalb vom Nanodraht 6 und von diesem beabstandet angeordnet ist. Bei der Messung eines Potentials einer Probe taucht dabei der Gate-Kontakt 9 in die Flüssigkeit ein, so dass man auch von einem Liquid-Gate-Kontakt spricht. Die Oberfläche der Flüssigkeit ist dabei durch die Ebene 10 schematisch dargestellt.
  • Die Nanodrähte 6 und deren unmittelbare Umgebung sind mit einer Beschichtungsanordnung 11 versehen, die im Detail in der 5 erkennbar ist. Diese umfasst zunächst eine Grundbeschichtung 12 aus einem dielektrischen Material, vorliegend eine 8 mm Siliziumoxidschicht, die in einer Vakuumanlage mittels thermischen Wachstums abgeschieden wurde. Der Umgebungsdruck beträgt dabei weniger als 5×10-5 mbar.
  • Die Beschichtungsanordnung 11 umfasst ferner eine Deckschicht 13 mit einer Dicke von etwa 5 nm. Die Deckschicht 13 weist diamantartig gebundenen Kohlenstoff mit einem Anteil von etwa 60 Atom% und graphitartig gebundenen Kohlenstoff auf. Ferner können Fremdatome, insbesondere Bor, Silizium, Stickstoff, Molybdän, Chrom, Titan und/oder Eisen insgesamt höchstens 10 Atom% in der Deckschicht 13 enthalten sein.
  • Die Deckschicht 13 wird erfindungsgemäß mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) hergestellt. Zunächst wird dazu die Vorrichtung an einem in einer Vakuumkammer angeordneten und rotierbaren Substrathalter befestigt. Anschließend wird die Vakuumkammer evakuiert bis zu einem Druck von weniger als 5×10-5 mbar, bevor die Vorrichtung aufgeheizt wird, um die Oberfläche des Substrats und des Nanodrahts zu trocknen. Konkret erfolgt dies über einen Zeitraum von etwa 30 Minuten bei einem Umgebungsdruck von weniger als 5×10-5 mbar. Anschließend wird ein Plasmaätzen durchgeführt, um die Oberfläche der Grundbeschichtung 12 zu aktivieren. Dazu wird ein Prozessgas bestehend aus 98% Argon und 2% Wasserstoff in eine Vakuumkammer, eingelassen. Die Plasmaätzquelle wird für eine Dauer von 60 Sekunden mit einer Spannung von 3.000 Volt und einem Strom von 1.500 Ampere betrieben. Währenddessen werden die Vorrichtungen in eine Rotation mit einer Geschwindigkeit von 2 Umdrehungen pro Minute versetzt, sodass jede Vorrichtung exakt zweimal von der Plasmaquelle direkt behandelt wird.
  • Für die Beschichtung mit der kohlenstoffhaltigen Deckschicht 13 wird ein Laser-Arc-Modul verwendet. Konkret wird Plasma erzeugt, ausgehend von einem Graphittarget, mittels einer Vakuumbogenentladung. Als Zündhilfe für die Vakuumbogenverdampfung wird ein gepulster Laser benutzt. Dabei wird das Laser-Arc-Modul mit einer Taktfrequenz von 75 Hertz betrieben und ein maximaler Entladungsstrom von 1.600 Ampere angelegt. An den Substrathalter wird dabei keine BIAS-Spannung angelegt. Insgesamt werden 5.250 Pulse durchgeführt, um eine Schichtdicke von etwa 5 Nanometer zu erreichen. Die Temperatur der Vorrichtung liegt dabei durchgehend unterhalb von 50°C.
  • Die auf diese Weise erzeugte Schicht wurde mittels Röntgen- Photoelektronen- Spektroskopie (XPS) untersucht. Dabei handelt es sich um eine Untersuchungsmethode, die eingesetzt wird, um Informationen über die Elementzusammensetzung der Oberfläche und über den chemischen Bindungszustand zu erlangen. Die Informationstiefe liegt dabei üblicherweise im Bereich bis zu 3 nm oder weniger Atomlagen.
  • Das Ergebnis einer solchen Untersuchung ist zunächst in 6 dargestellt. Dazu wurde die Oberfläche der Deckschicht 13 aufgenommen. Das in der 6 dargestellte Spektrum zeigt bestimmte Bindungsenergien, die für verschiedene Bindungen charakteristisch sind. Es ist zu entnehmen, dass der Anteil an graphitartig gebundenem Kohlenstoff (sp2) in der Oberfläche etwa 35 Atom% beträgt, während der Anteil der diamantartig gebundenem Kohlenstoff (sp3) etwa 60 Atom% beträgt. Die restlichen Anteile entfallen dabei auf Verbindungen von Kohlenstoff mit Sauerstoff.
  • Für das in der 7 dargestellte Tiefenprofil wurde während der XPS Untersuchung die Oberfläche mit Argon-Ionen beschossen. Das Tiefenprofil zeigt deutlich an der Oberfläche eine kohlenstoffhaltige Schicht (durchgezogene Linie), darunter eine Schicht aus Siliziumoxid (grob gestrichelte Linie), bevor sich unterhalb das Material des Nanodrahts 6 (Silizium) anschließt.
  • Die mit einer solchen kohlenstoffhaltigen Deckschicht 13 versehenen Nanodraht-Feldeffekttransistoren haben gegenüber einer Ausführung ohne eine solche kohlenstoffhaltige Deckschicht 13 bei Kontakt mit entsprechenden Testflüssigkeiten eine deutlich höhere Stabilität, was über die Zeit zu einer deutlich geringeren Änderung der elektrischen Eigenschaften der Feldeffekttransistoren führt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Biosensor
    2
    Substrat
    3
    Silizium- Wafer
    4
    Oxidschicht
    5
    Feldeffekttransistor
    6
    Nanodraht
    7
    Source-Kontakt
    8
    Drain-Kontakt
    9
    Gate-Kontakt
    10
    Probenoberfläche
    11
    Beschichtungsanordnung
    12
    Grundbeschichtung
    13
    Deckschicht

Claims (27)

  1. Vorrichtung zur Messung von Potentialen an einer biologischen, chemischen oder anderen Probe, mit einem Substrat (2) und mindestens einem auf dem Substrat (2) angeordneten Nanodraht (6) aus einem halbleitenden Material, wobei der Nanodraht (6) mit einer Beschichtungsanordnung (11) versehen ist, welche eine Grundbeschichtung (12) aus einem dielektrischen Material umfasst, wobei die Beschichtungsanordnung (11) ferner eine Deckschicht (13) umfasst, welche Kohlenstoff aufweist oder daraus besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (13) diamantartig gebundenen Kohlenstoff und graphitartig gebundenen Kohlenstoff aufweist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an diamantartig gebundenem Kohlenstoff in der Deckschicht (13) mindestens 30 Atom%, insbesondere mindestens 40 Atom%, bevorzugt mindestens 50 Atom% beträgt.
  3. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (13) Fremdatome, insbesondere Bor, Silizium, Stickstoff, Molybdän, Chrom, Titan und/oder Eisen, bevorzugt mit einem Anteil von insgesamt höchstens 10 Atom% enthält.
  4. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Deckschicht (13) mindestens 2 nm, insbesondere mindestens 3 nm, und/oder höchstens 100 nm, insbesondere höchstens 20 nm beträgt.
  5. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein, insbesondere jeder Nanodraht (6) einen trapezförmigen oder dreieckigen Querschnitt aufweist.
  6. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese mindestens einen Feldeffekttransistor (5) aufweist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein, insbesondere jeder Nanodraht (6) Bestandteil eines Feldeffekttransistors (5) ist und an einem Ende mit einem Source-Kontakt (7) und an einem anderen Ende mit einem Drain-Kontakt (8) verbunden ist oder solche aufweist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Feldeffekttransistor (5) einen Gate-Kontakt (9) umfasst, welcher von dem Nanodraht (6) beabstandet ist und mit der Probe in Kontakt steht oder bringbar ist.
  9. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Bestandteil eines Biosensors (1) ist oder einen solchen bildet.
  10. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundbeschichtung (12) einlagig aufgebaut ist und insbesondere aus Siliziumoxid (SiO2) besteht.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundbeschichtung (12) mehrlagig, insbesondere zweilagig aufgebaut ist und unmittelbar an den Nanodraht (6) angrenzend eine innere Schicht aus einem ersten dielektrischen Material, insbesondere aus Siliziumoxid (SiO2), und eine äußere Schicht aus einem zweiten dielektrischen Material, insbesondere aus Aluminiumoxid (Al2O3), aufweist.
  12. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundbeschichtung (12) eine Dicke von mindestens 2 nm, insbesondere mindestens 5 nm, und/oder von höchstens 100 nm, insbesondere höchstens 50 nm aufweist.
  13. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (2) einen Silizium-Wafer (3) umfasst, wobei zwischen dem Silizium-Wafer (3) und dem Nanodraht (6) insbesondere eine Oxidschicht (4) ausgebildet ist.
  14. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht mit einer Schutzschicht überzogen ist, welche insbesondere Aluminiumoxid (Al2O3) enthält und/oder eine Dicke von mindestens 5 nm und/oder von höchstens 10 nm aufweist.
  15. Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, welches die folgenden Schritte umfasst: - Bereitstellen des Substrats (2) mit mindestens dem einen auf dem Substrat (2) angeordneten Nanodraht (6) aus einem halbleitenden Material; - Beschichten des Nanodrahts (6) mit der Grundbeschichtung (12), welche eine Schicht aus dielektrischem Material umfasst; - Abscheidung der Deckschicht (13), welche Kohlenstoff aufweist oder daraus besteht.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus dielektrischem Material durch thermisches Wachstum abgeschieden wird.
  17. Verfahren nach Anspruch 15 oder Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (13) mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) und/oder chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) hergestellt wird.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass zur Abscheidung der Deckschicht (13) ein Plasma erzeugt wird.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmaerzeugung durch den Beschuss eines Targets aus Graphit mit einem gepulsten Laser erfolgt.
  20. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmaerzeugung mittels einer elektrischen Vakuumbogenentladung auf ein Graphittarget erfolgt.
  21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass eine Plasmafilterung vorgesehen ist, um Makropartikel, die bei der Vakuumbogenentladung entstehen, aus dem Plasma abzutrennen.
  22. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass ein gepulster Laser als Zündquelle für die Vakuumbogenentladung verwendet wird, so dass dadurch eine gepulste Vakuumbogenentladung vorliegt.
  23. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidung der Deckschicht (13) in einer Vakuumkammer erfolgt.
  24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Abscheidung der Deckschicht (13) die Vakuumkammer auf einen Druck unterhalb von 10-4 mbar, insbesondere unterhalb von 5×10-5 mbar evakuiert wird.
  25. Verfahren nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass während der Abscheidung der Deckschicht (13) ein überwiegend inertes Gas, insbesondere Argon, in die Vakuumkammer eingeleitet wird.
  26. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Abscheidung der Deckschicht (13) ein Plasmaätzen der Oberfläche der Grundbeschichtung (12) stattfindet.
  27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Plasmaätzen die Vorrichtung aufgeheizt wird, um die Substratoberfläche zu trocknen.
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