Magazin Forschung 2019

66 | SENSORIK
Durch elektronstrahlinduzierte Deposition hergestellte
Nanoemitter für Feldemissionsanwendungen
Die elektronenstrahlinduzierte Deposition ermöglicht eine exakte und reproduzierbare Positionierung
von Nanostrukturen auf einer Chipoberfläche. Auf vier Si-Säulen wurden Nanoemitter jeweils
mittig durch elektronstrahlinduzierte Deposition von MeCpPtMe 3 abgeschieden. In einer Vakuumkammer
bei Drücken von ca. 10 -9 mbar wurden integrale Feldemissionsmessungen in Diodenkonfiguration
mit einem 50μm Abstandshalter durchgeführt. Die UI-Messung der Probe zeigt
einen Emissionsstrom von bis zu 2μA bei einer Spannung von 600V (12MV/m) und eine Einsatzspannung
für einen Strom von 1nA bei ca. 300V.
Das fokussierte elektronstrahlinduzierte Abscheidungsverfahren
(FEBID) ermöglicht die Realisierung von
Nanostrukturen aus verschiedenen Präkursoren [1]. Die
dabei verwendeten Präkursoren sind organische Moleküle,
die Metallatome enthalten. Diese werden im Fokus
eines Elektronenstrahls dissoziiert und erzeugen
schließlich ein nanogranulares Material (Abb. 1), wie z. B.
Koops-GranMat ® [2]. Für unsere Experimente verwendeten
wir Trimethyl-(Methylcyclopentadienyl)-Platin(IV)
(MeCpPtMe 3 ). In den letzten zehn Jahren wurde dieser
Präkursor zur Abscheidung von Platinverbindungen umfassend
untersucht [3 4]. Die Möglichkeit der Herstellung
einer leitfähigen Struktur in den Abmessungen von einigen
Nanometer, die genau auf einem Substrat positioniert
werden kann, macht es zu einem interessanten
Kandidaten für Feldemissionsanwendungen (FE).
Zur Verstärkung der Feldüberhöhung einer geätzten
leitfähigen Struktur, wurden solche Nanoemitter durch
FEBID auf Si-Säulen abgeschieden. Dies ermöglichte uns
zudem einen Vergleich mit Proben ähnlicher Geometrie
[5]. Als Substrat wurde ein 100mm n-Typ (As dotiert) Si-
Wafer mit (100) Ausrichtung und einem spezifischen
Widerstand von < 0,005Ωcm verwendet. Die Position der
Säulen mit einem Durchmesser von 3μm und einer rechteckigen
Anordnung mit einem Abstand von 50μm zu -
einander werden durch Photolithographie im Lack
(AZ9260) definiert. Anisotropes reaktives Ionenätzen
(RIE) mit CHF 3 und O 2 in einer Oxford Plasmalab 80Plus
Trockenätzanlage überträgt diese Anordnung auf die
SiO 2 -Schicht. Eine Kombination von RIE und induktiv gekoppeltem
Plasmas (ICP) mit wechselnden Ätz- (SF6)
und Passivierungsschritten (CHF 3 ) ermöglicht die Realisierung
von Säulen (Abb. 2a). Über Gasflüsse, Kammerdruck,
Hochfrequenz- (RF) und ICP-Leistung können
Anisotropie, Rauheit und der Flankenwinkel eingestellt
werden. Das restliche Oxid wird durch eine nasschemische
Ätzung mit gepufferter HF (BOE) entfernt. Danach
werden die Nanoemitter mit FEBID exakt auf der Mitte
von vier Säulen einer Anordnung mit sechzehn Säulen
(Abb. 2d) in einem modifizierten Rasterelektronen -
mikroskop (JEOL 840F) mit einer Depositionsrate von
Abbildung 1: Schematische Darstellung der FEBID. Der metallorganische
Präkursor (Kreis: Pt, Kreisbogen: organische Liganden) wird von
einem Gasinjektionssystem zur Verfügung gestellt und adsorbiert (1)
auf der Oberfläche. Ferner finden Oberflächendiffusion (2), thermisch
induzierte (3) und elektronenstimulierte Desorption (4) statt. Im
Fokus des Elektronenstrahls liegen Präkursormoleküle (teilweise) dissoziiert
mit adsorbierten organischen Liganden vor (5).
1μm/min bei einem Abscheidestrom von etwa 20pA abgeschieden.
Zur Untersuchung der FE-Eigenschaften wurden integrale
Messungen in Diodenkonfiguration in einer Vakuumkammer
(