DE10118200A1

DE10118200A1 - Gas-Sensorelement, Verfahren zum Herstellen eines Gas-Sensorelements und Verfahren zur Detektion von Gasen

Info

Publication number: DE10118200A1
Application number: DE2001118200
Authority: DE
Inventors: Johannes R Luyken; Wolfgang Roesner; Johannes Kretz; Franz Hofmann
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2001-04-11
Filing date: 2001-04-11
Publication date: 2002-10-24

Abstract

Ein Gas-Sensorelement weist eine erste metallische Elektrode, eine zweite metallische Elektrode und wenigstens eine Nanoröhre auf. Die erste und die zweite metallische Elektrode sind nur über die wenigstens eine Nanoröhre elektrisch miteinander verbunden, und die wenigstens eine Nanoröhre weist eine zumindest teilweise freiliegende Oberfläche auf. Ferner sind Mittel zum Bestimmen des elektrischen Widerstandes zwischen der ersten und der zweiten metallischen Elektrode vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gas-Sensorelement, ein Verfahren zum Herstellen eines Gas-Sensorelements und ein Verfahren zur Detektion von Gasen.

Ein derartiges Gassensorelement ist z. B. in Form eines Gas- Sensors auf Basis von halbleitenden Metall-Oxiden bekannt und wird insbesondere zur Detektion von Stickstoffdioxid (NO₂) und Ammoniak (NH₃) eingesetzt (vgl. [1]). Mögliche Anwendungsbereiche sind hierbei neben der Umweltmesstechnik insbesondere auch Gasdetektionen bei chemischen Prozesskontrollen oder biomedizinischen Analysen.

Dieses Gas-Sensorelement hat jedoch den Nachteil, dass zum Erreichen einer ausreichenden Nachweissensitivität für die zu detektierenden Gase relativ hohe Betriebstemperaturen im Bereich von 200 bis 600°C erforderlich sind, um eine ausreichende chemische Reaktivität zwischen den Gasmolekülen und den Sensormaterialien zu gewährleisten.

Es ist ferner auch ein Gas-Sensorelement in Form von Silizium-Bauelementen sowie ein Gas-Sensorelement auf Basis von leitenden Polymeren bekannt. Diese Gas-Sensorelemente eignen sich ebenfalls vor allem zum Nachweis von Stickstoffdioxid oder Ammoniak, weisen jedoch nur eine sehr begrenzte Nachweisempfindlichkeit auf. Des weiteren ist auch ein Gas-Sensorelement auf Basis von organischen Materialien wie z. B. organischen Phthalocyanin-Halbleitern sowie Kohlenstoff-Polymer-Kompositen bekannt, welches jedoch einen sehr hohen elektrischen Widerstand (von 10 GΩ und darüber) besitzt.

Sämtliche der oben genannten Gas-Sensorelemente weisen demnach entweder eine zu geringe Nachweissensitivität auf oder müssen zum Erreichen einer hinreichenden Nachweissensitivität auf Temperaturen von mehreren hundert Grad Celsius aufgeheizt werden.

Somit liegt der Erfindung das Problem zugrunde, ein Gas- Sensorelement, ein Verfahren zum Herstellen eines Gas- Sensorelements sowie ein Verfahren zur Detektion von Gasen anzugeben, mit dem bzw. durch das bereits bei Raumtemperatur eine signifikante Erhöhung der Nachweissensitivität erreicht werden kann.

Das Problem wird durch das Gas-Sensorelement, das Verfahren zum Herstellen eines Gas-Sensorelements sowie durch das Verfahren zur Detektion von Gasen mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.

Ein Gas-Sensorelement weist eine erste metallische Elektrode und eine zweite metallische Elektrode sowie wenigstens eine Nanoröhre auf. Die erste und die zweite metallische Elektrode sind über die wenigstens eine Nanoröhre elektrisch miteinander verbunden, wobei die wenigstens eine Nanoröhre eine zumindest teilweise freiliegende Oberfläche aufweist.

Ferner ist eine Einheit zum Bestimmen des elektrischen Widerstandes zwischen der ersten und der zweiten metallischen Elektrode vorgesehen.

Die Erfindung macht sich dabei die Erkenntnis zunutze, dass sich der elektrische Widerstand von Nanoröhren innerhalb weniger Sekunden um etwa drei Größenordnungen ändert, wenn die Nanoröhren einem Gas wie z. B. Stickstoffdioxid (NO₂) oder Ammoniak (NH₃) ausgesetzt werden.

So wurde in [1] nachgewiesen, dass eine NH₃-Atmosphäre zu einer reduzierten elektrischen Leitfähigkeit der Nanoröhren führt, was mit einer Verschiebung der Valenzbandkante weit unter das Fermi-Niveau in den Nanoröhren und einer hierdurch bewirkten Verarmung an Ladungsträgern in Form von Löchern erklärt wurde.

Umgekehrt wurde eine Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit der Nanoröhren um drei Größenordnungen festgestellt, wenn diese einer NO₂-Atmosphäre in einer Konzentration von etwa 200 ppm ausgesetzt wurden, was dadurch erklärt wurde, dass die Fermi-Energie im Bereich der Nanoröhren näher an das Valenzband verschoben wird und demzufolge die Zahl der Ladungsträger in Form von Löchern in den Nanoröhren zunimmt.

Somit kann bei dem erfindungsgemäßen Gas-Sensorelement die Gas-Detektion dadurch erfolgen, dass der elektrische Widerstand zwischen der ersten und der zweiten metallischen Elektrode gemessen wird, da sich dieser elektrische Widerstand infolge der Ablagerung der Gasmoleküle auf der freiliegenden Oberfläche der Nanoröhren ändert.

Die Gasdetektion ist hierbei nicht auf Gase wie Stickstoffdioxid (NO₂) oder Ammoniak (NH₃) beschränkt, sondern es können auch andere Gase wie z. B. Sauerstoff (02) nachgewiesen werden, die zu einer Änderung des elektrischen Widerstandes der Nanoröhren führen.

Die Nanoröhren können z. B. Kohlenstoff-Nanoröhren sein. Es können jedoch auch eine oder mehrere mit Bor-Nitrid dotierte Nanoröhren ausgebildet werden, die sich dadurch auszeichnen, dass sich die Leitfähigkeit durch Anlegen eines elektrischen Feldes beeinflussen lässt (sog. Feldeffekt).

Vorzugsweise ist wenigstens eine Nanoröhre zwischen der ersten und der zweiten metallischen Elektrode freistehend angeordnet.

Vorzugsweise sind die Nanoröhren in einem geordneten Feld zwischen der ersten und der zweiten metallischen Elektrode angeordnet, wobei sie insbesondere vorteilhaft im wesentlichen geradlinig und parallel zueinander angeordnet sind. Die Nanoröhren sind hierbei vorzugsweise in einem konstanten, im Bereich zwischen 10 und 20 nm liegenden Abstand zueinander angeordnet und können z. B. eine Länge von 1 bis 10 µm aufweisen. Auf diese Weise wird einerseits eine hohe Nachweissensitivität für die durch das Gas-Sensorelement hindurchgeleiteten Gase erreicht, wobei andererseits gleichzeitig noch ein ausreichender Gasdurchfluss gewährleistet ist.

Die erste und zweite metallische Elektrode sowie die Nanoröhren können beispielsweise auf einem Halbleiterchip, z. B. einen CMOS-Chip, integriert sein. Die Einheit zum Bestimmen des elektrischen Widerstandes kann dann insbesondere einen auf dem Halbleiterchip integrierten Widerstandsensor umfassen.

Ferner kann auch ein Heizelement zum Aufheizen der wenigstens einen Nanoröhre auf dem Halbleiterchip integriert sein. Über das Heizelement kann die Nanoröhre nach Abschluss einer Gas- Detektion auf eine Temperatur von beispielsweise 200°C aufgeheizt werden, um die Bedeckung der Nanoröhren mit den Molekülen des nachzuweisenden Gases wieder aufzuheben.

Bei einem Verfahren zum Herstellen eines Gas-Sensorelements wird wenigstens eine Nanoröhre mit einer zumindest teilweise freiliegenden Oberfläche ausgebildet und eine erste metallische Elektrode und eine zweite metallische Elektrode werden so ausgebildet, dass die erste und die zweite metallische Elektrode über die Nanoröhre(n) elektrisch miteinander verbunden sind.

Hierbei wird vorzugsweise ein geordnetes Feld von Nanoröhren zwischen der ersten und der zweiten metallischen Elektrode ausgebildet.

Insbesondere kann ein Gas-Sensorelement folgendermaßen hergestellt werden:
Auf einer ersten isolierenden Schicht wird ein Schichtsystem aus einer Katalysatorschicht und einer ersten metallischen Schicht aufgebracht, was z. B. mittels MOCVD (metal-organic chemical vapor deposition = metall-organischer Gasphasenabscheidung) in besonders konformer Weise erfolgen kann.

Die erste isolierende Schicht kann z. B. aus Silziumdioxid oder auch einem anderen isolierenden Material, z. B. einem anderen Metalloxid gebildet werden. Insbesondere kann eine auf einem Silizium-Substrat abgeschiedene Siliziumdioxidschicht als erste isolierende Schicht verwendet werden.

Die Katalysatorschicht wird vorzugsweise aus Kobalt, Nickel oder Eisen gebildet.

Die erste metallische Schicht kann beispielsweise aus Aluminium gebildet sein oder auch ein anderes metallisch leitendes Material aufweisen.

Das Schichtsystem aus Katalysatorschicht und erster metallischer Schicht wird dabei so strukturiert, so dass die Katalysatorschicht eine porenstrukturierte Oberfläche aufweist.

Dies kann zum einen dadurch erfolgen, dass nach dem Aufbringen der ersten metallischen Schicht auf der Katalysatorschicht zum Ausbilden der porenstrukturierten Oberfläche der Katalysatorschicht Poren in der ersten I metallischen Schicht ausgebildet werden. Hierzu kann nach dem Aufdampfen der Aluminiumschicht auf der Kobaltschicht eine Lackmaske mit einer entsprechenden Porenstruktur auf die Aluminiumschicht aufgebracht werden, wonach die Aluminiumschicht in einem Lithographieschritt mit einer der < Lackmaske entsprechenden porenartigen Struktur versehen wird. Alternativ können Verfahren zur Nanostrukturierung von Substraten wie Glas oder Silizium-Wafer eingesetzt werden, d. h. Verfahren, mit denen Nano-Partikel aus Metall auf diesen Substraten erzeugt werden. Insbesondere können Kolloidmasken als Masken zur Erzeugung der Poren verwendet werden.

Alternativ kann jedoch auch zunächst die Aluminiumschicht auf der ersten isolierenden Schicht aufgedampft und vor dem anschließenden Aufdampfen der Kobaltschicht auf der Aluminiumschicht eine porenstrukturierte Lackmaske aufgebracht werden, so dass das Kobalt nur in den Poren der Lackmaske abgeschieden wird.

Die Porenstruktur in der Lackmaske weist dabei je nach der gewünschten Struktur der aufzuwachsenden Nanoröhren vorzugsweise in einem konstanten, im Bereich zwischen 10 bis 20 nm liegenden Abstand zueinander angeordnete Poren auf.

Auf der Katalysatorschicht wird anschließend ein Feld von Nanoröhren, z. B. Kohlenstoff-Nanoröhren oder mit Bor-Nitrid dotierte Nanoröhren in einer der Porenstruktur des Schichtsystems aus Katalysatorschicht und erster metallischer Schicht entsprechenden Anordnung aufgewachsen. Dies kann z. B. mittels Gasphasenabscheidung entsprechend dem in [2] beschriebenen Verfahren erfolgen.

Gemäß diesem in [2] dargestellten Verfahren wird das in der Porenstruktur der Aluminiumschicht mit einer Porendichte von z. B. 1,1.10¹⁰ Poren/cm² abgeschiedene Kobalt im Kohlenmonoxid (CO)-Durchfluss bei einer Temperatur von 600°C reduziert. Anschließend wird Acetylen zur Ausbildung eines Feldes von Kohlenstoff-Nanoröhren in der Porenstruktur der Katalysatorschicht in einem Durchfluss aus einem Acetylen/Stickstoff-Gemisch bei 700°C pyrolysiert, wodurch beispielsweise ein regelmäßiges hexagonales Gitter von Nanoröhren mit einem einheitlichen Durchmesser von z. B. 50 nm erhalten werden kann.

Dabei lassen sich Länge, Durchmesser und Anordnung der Nanoröhren dadurch steuern, dass die porenstrukturierte Aluminiumschicht vor dem Aufbringen der Kobalt- Katalysatorschicht einem in [2] näher erläuterten zweifachen Anodisierungsprozess unterzogen wird.

Nach der Ausbildung der Nanoröhren und vor dem Aufbringen einer zweiten isolierenden Schicht kann vorteilhafterweise auf der ersten isolierenden Schicht, dem Schichtsystem aus Katalysatorschicht und erster metallischer Schicht und den Nanoröhren eine Haftschicht abgeschieden werden, wobei die Haftschicht nach dem partiellen Entfernen der zweiten metallischen Schicht ebenfalls entfernt wird. Die Haftschicht kann beispielsweise aus Silizium-Nitrid gebildet sein, aber auch ein anderes Material, wie z. B. Titan-Nitrid oder auch ein Mehrfachschichtsystem aus Titan und Titan-Nitrid, aufweisen.

Auf dieser Haftschicht wird eine zweite isolierende Schicht unter Bedeckung der Nanoröhren, der ersten metallischen Schicht und der Katalysatorschicht aufgebracht, wobei die zweite isolierende Schicht wiederum Siliziumdioxid oder auch ein anderes isolierendes Material, insbesondere ein Metalloxid aufweisen kann.

In der zweiten isolierenden Schicht wird ein sich bis zur ersten metallischen Schicht erstreckendes Kontaktloch ausgebildet, was insbesondere mittels nasschemischem Ätzen oder Plasmaätzen erfolgen kann.

Anschließend werden die zweite isolierende Schicht sowie ggf. die Haftschicht z. B. durch Ätzen unter partiellem Freilegen der Nanoröhren teilweise entfernt und in der zweiten isolierenden Schicht wird ein sich bis zur ersten metallischen Schicht erstreckendes Kontaktloch ausgebildet.

Auf die zweite isolierende Schicht wird eine zweite metallische Schicht unter vollständigem Auffüllen des Kontaktlochs und Bedeckung der freigelegten Abschnitte der Nanoröhren aufgebracht. Die zweite metallische Schicht kann z. B. aus Wolfram gebildet sein, wodurch sich eine besonders konforme Abscheidung erreichen lässt. Die zweite metallische Schicht kann jedoch alternativ auch ein beliebiges anderes metallisch leitendes Material wie z. B. Kupfer oder Aluminium aufweisen. Das Abscheiden der zweiten metallischen Schicht kann wiederum konform mittels MOCVD erfolgen.

Die zweite metallische Schicht wird anschließend wiederum durch Ätzen, insbesondere nasschemisches Ätzen oder Plasmaätzen, soweit partiell entfernt, dass ein mit der ersten metallischen Schicht elektrisch verbundener erster Leiterbahnabschnitt und ein mit den Nanoröhren elektrisch verbundener zweiter Leiterbahnabschnitt zur Ausbildung einer ersten und zweiten metallischen Elektrode verbleiben.

Anschließend werden auch die zweite isolierende Schicht sowie gegebenenfalls die Haftschicht von der ersten isolierenden Schicht, der Schichtstruktur aus Katalysatorschicht und erster metallischer Schicht, sowie den Kohlenstoff-Nanoröhren durch Ätzen zumindest partiell entfernt. Die Kohlenstoff- Nanoröhren weisen demzufolge eine zumindest teilweise freiliegende Oberfläche auf, auf der sich Gasmoleküle eines zu detektierenden Gases ablagern können.

Vorzugsweise werden jedoch die zweite isolierende Schicht sowie gegebenenfalls die Haftschicht restefrei entfernt, so dass die Nanoröhren zwischen der aus den verbliebenen Abschnitten der zweiten metallischen Schicht gebildeten ersten und zweiten metallischen Elektrode freistehend angeordnet sind.

Die verbleibenden Abschnitte der zweiten metallischen Schicht bilden demnach eine den ersten Leiterbahnabschnitt umfassende erste metallische Elektrode und eine den zweiten Leiterbahn abschnitt umfassende zweite metallische Elektrode aus, wobei die zweite metallische Elektrode mit den Kohlenstoff- Nanoröhren an deren zuvor freigelegten Endabschnitten in Kontakt steht, während die erste metallische Elektrode über die erste metallische Schicht mit den gegenüberliegenden Endabschnitten der Kohlenstoff-Nanoröhren in Kontakt steht.

Über eine Widerstandsmessung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode kann nunmehr eine Änderung des elektrischen Widerstandes der Nanoröhren über auf den Nanoröhren abgelagerte Gasmoleküle unmittelbar bestimmt und damit ein zu detektierendes, durch die Bereiche zwischen den Nanoröhren hindurchgeleitetes Gas nachgewiesen werden.

Bei einem Verfahren zur Detektion von Gasen wird in einer Anordnung aus einer ersten metallischen Elektrode, einer zweiten metallischen Elektrode und wenigstens einer Nanoröhre, wobei die erste und die zweite metallische Elektrode über die wenigstens eine Nanoröhre elektrisch miteinander verbunden sind und die wenigstens eine Nanoröhre eine zumindest teilweise freiliegende Oberfläche aufweist, die wenigstens eine Nanoröhre einem zu detektierenden Gas ausgesetzt und der elektrische Widerstand der Nanoröhre gemessen.

Vorzugsweise wird die wenigstens eine Nanoröhre anschließend auf eine Temperatur von 200°C oder darüber aufgeheizt, um die auf den Nanoröhren angelagerten Gasmoleküle wieder zu entfernen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im weiteren näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1A bis 1H Querschnitte durch ein Gas-Sensorelement gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zu verschiedenen Zuständen während dessen Herstellung;

Fig. 2 ein Flussdiagramm für das Verfahren zur Herstellung eines Gas-Sensorelements gemäß Fig. 1;

Fig. 3 ein schematisches Layout zur Verdeutlichung der einzelnen Lithographie-Schritte (L1-L6), die bei dem in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellten Verfahren angewendet werden; und

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Gas- Sensorelements zur Erläuterung des Prinzips, welches dem erfindungsgemäßen Gas-Sensorelement zugrunde liegt.

Gemäß Fig. 1A beginnt ein Verfahren zum Herstellen eines Gas- Sensorelements 100 gemäß dem Ausführungsbeispiel mit einem Silizium-Substrat 101, in welches in einem ersten Lithographieschritt L1 in bekannter Weise Gräben 102 geätzt werden (entsprechend dem Schritt S1 in dem in Fig. 2 dargestellten Flussdiagramm). Anschließend wird auf dem Silizium-Substrat 101 und den Gräben 102 eine erste isolierende Schicht 103 aus Siliziumdioxid mittels eines CVD- Verfahrens abgeschieden (Schritt S2 in Fig. 2).

Anschließend wird in einem zweiten Lithographieschritt L2 die Oberfläche der ersten isolierenden Schicht 103 innerhalb der Gräben 102 soweit abgedeckt, dass jeweils nur ein von den Seitenwänden der Gräben 102 beabstandeter Bereich freigelegt bleibt. Auf diesen freigelegten Bereich werden nacheinander eine Katalysatorschicht 104 aus Kobalt und eine erste metallische Schicht 105 aus Aluminium aufgedampft (Schritt S3 in Fig. 2).

In einem weiteren Schritt (S4 in Fig. 2) wird in der ersten metallischen Schicht 105 aus Aluminium nach Aufbringen einer Porenstrukturierten Lackmaske auf die erste metallische Schicht 105 in einem dritten Lithographieschritt L3 eine Porenstruktur erzeugt, wobei der Porenabstand gemäß dem Ausführungsbeispiel etwa 20 nm beträgt. Anschließend wird die Lackmaske wieder entfernt. Die hiernach erhaltene Struktur ist in Fig. 1A dargestellt.

In einem nächsten Schritt werden auf der gemäß Fig. 1A strukturierten Katalysatorschicht 104 mittels Gasphasenabscheidung (CVD = "chemical vapor deposition") Nanoröhren, gemäß dem Ausführungsbeispiel aus Kohlenstoff, aufgewachsen (Schritt S5). Die Kohlenstoff-Nanoröhren 106 weisen gemäß dem Ausführungsbeispiel eine Länge von etwa 10 µm auf und sind entsprechend dem Abstand der Poren in der ersten metallischen Schicht 105 in einem Abstand von etwa 20 nm voneinander angeordnet.

Anschließend wird auf die erste isolierende Schicht 103, die Schichtstruktur aus Katalysatorschicht 104 und porenstrukturierter erster metallischer Schicht 105 sowie auf die Kohlenstoff-Nanoröhren 106 eine Haftschicht 107, gemäß dem Ausführungsbeispiel aus Silizium-Nitrid (Si₃N₄) wiederum mittels Gasphasenabscheidung abgeschieden (Schritt S6 in Fig. 2).

Auf der Haftschicht 107 wird in einem nächsten Schritt (S7) eine zweite isolierende Schicht 108 mittels Gasphasenabscheidung abgeschieden, die gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel wie die erste isolierende Schicht 103 aus Siliziumdioxid gebildet ist. Die hiernach erhaltene Struktur ist in Fig. 1B und Fig. 1C dargestellt, wobei die Darstellung in Fig. 1B einem Schnitt entlang der Linie A-A in Fig. 3 und die Darstellung in Fig. 1C einem Schnitt entlang der Linie B-B in Fig. 3 entspricht.

Anschließend wird in einem vierten Lithographieschritt L4 in die zweite isolierende Schicht 108 und die Haftschicht 107 ein Kontaktloch 109 geätzt, welches sich von der Oberfläche der zweiten isolierenden Schicht 108 bis hinunter zur ersten metallischen Schicht 105 aus Aluminium parallel zu den Kohlenstoff-Nanoröhren 106 erstreckt (Schritt S8 in Fig. 2). Die hiernach erhaltene Struktur ist in Fig. 1D entsprechend einem Schnitt der Linie B-B in Fig. 3 dargestellt.

In einem nächsten Schritt (59) werden die zweite isolierende Schicht 108 sowie die Haftschicht 107 soweit rückgeätzt, dass jeweils ein Endabschnitt 106a der Kohlenstoff-Nanoröhren 106 an deren der ersten metallischen Schicht abgewandtem Ende freigelegt wird.

Anschließend wird auf der verbleibenden zweiten isolierenden Schicht 108, den freigelegten Abschnitten 106a der Kohlenstoff-Nanoröhren 106 und der innerhalb des Kontaktlochs 109 freigelegten Oberfläche der ersten metallischen Schicht 105 eine zweite metallische Schicht 110, gemäß dem Ausführungsbeispiel aus Wolfram, mittels CVD abgeschieden (Schritt S10 in Fig. 2). Hierbei wird die zweite metallische Schicht 110 in einer solchen Dicke abgeschieden, dass das Kontaktloch 109 vollständig aufgefüllt sowie die freigelegten Abschnitte 106a der Kohlenstoff-Nanoröhren 106 komplett von der zweiten metallischen Schicht 110 bedeckt sind. Die hiernach erhaltene Struktur ist in Fig. 1E (entsprechend dem Schnitt A-A in Fig. 3) bzw. Fig. 1F (entsprechend dem Schnitt B-B in Fig. 3) dargestellt.

In einem nächsten, fünften Lithographieschritt L5 wird die zweite metallische Schicht 110 aus Wolfram durch Ätzen so strukturiert, dass sie gemäß der in Fig. 1 G dargestellten Struktur (entsprechend einem Schnitt B-B in Fig. 3) in zwei voneinander räumlich getrennte Abschnitte 110a, 110b aufgeteilt wird (Schritt S11 in Fig. 2).

Hierbei bilden die beiden Abschnitte 110a, 110b zwei auf der Oberfläche der zweiten isolierenden Schicht 108 parallel zur Schnittlinie A-A in Fig. 3 verlaufende Leiterbahnen. Die dem Abschnitt 110b entsprechende Leiterbahn deckt die freigelegten Abschnitte 106a der Kohlenstoff-Nanoröhren 106 komplett ab, während die dem Abschnitt 110a entsprechende Leiterbahn sich durch das Kontaktloch 109 hindurch bis hinunter zur ersten metallischen Schicht 105 erstreckt.

Die dem Abschnitt 110a entsprechende Leiterbahn steht somit über die erste metallische Schicht 105 ebenfalls mit den Kohlenstoff-Nanoröhren 106, jedoch an deren den freigelegten Abschnitten 106a gegenüberliegenden Endabschnitten in elektrischem Kontakt.

In einem nächsten, sechsten Lithographieschritt L6 werden die Abschnitte 110a, 110b der zweiten metallischen Schicht 110 sowie die Oberfläche der ersten isolierenden Schicht 103 mittels einer Lackmaske abgedeckt, woraufhin die zweite isolierende Schicht 108 mittels nasschemischem Ätzen restefrei weggeätzt und die Lackmaske wieder entfernt wird (Schritt S12 in Fig. 2).

Anschließend wird auch die Haftschicht 107 von der ersten isolierenden Schicht 103, der Schichtstruktur aus Katalysatorschicht 104 und erster metallischer Schicht 105, sowie den Kohlenstoff-Nanoröhren 106 durch Ätzen restefrei entfernt (Schritt S13 in Fig. 2), so dass die in Fig. 1H entsprechend einem Schnitt B-B in Fig. 3 dargestellte fertige Struktur eines Gas-Sensorelements 100 erhalten wird.

In dem Gas-Sensorelement 100 gemäß Fig. 1H bilden die verbleibenden Abschnitte der zweiten metallischen Schicht 110 eine den ersten Leiterbahnabschnitt 110a umfassende erste metallische Elektrode 111 und eine den zweiten Leiterbahnabschnitt 110b umfassende zweite metallische Elektrode 112. Hierbei steht die erste metallische Elektrode 111 mit der ersten metallischen Schicht 105 und damit auch mit den Kohlenstoff-Nanoröhren 106 in elektrischem Kontakt, während die zweite metallische Elektrode 112 mit den Kohlenstoff-Nanoröhren 106 an deren Endabschnitten 106a in elektrischem Kontakt steht.

Die Kohlenstoff-Nanoröhren 106 selbst sind nunmehr nach der Entfernung der zweiten isolierenden Schicht 108 sowie der Haftschicht 107 freistehend zwischen der ersten und zweiten metallischen Elektrode 111, 112 angeordnet und stellen über die erste metallische Schicht 105 den elektrischen Kontakt zwischen der ersten und der zweiten metallischen Elektrode 111 bzw. 112 her.

Die so erhaltene Struktur stellt ein erfindungsgemäßes Gas- Sensorelement 100 in einer bevorzugten Ausführungsform dar, bei der über die erste und zweite metallische Elektrode 111, 112 der elektrische Widerstand der Anordnung aus freistehenden Kohlenstoff-Nanoröhren 106, z. B. über auf einem gemeinsamen CMOS-Chip integrierte Widerstandssensoren, gemessen werden kann.

Anhand der gemessenen Widerstandsänderung werden die zu detektierenden Gase wie oben erläutert nachgewiesen, woraufhin die Nanoröhren zum Entfernen der abgelagerten Gasmoleküle des zu detektierenden Gases auf eine Temperatur von 200°C oder darüber aufgeheizt werden.

In Fig. 4 sind nochmals in einer schematischen Prinzipskizze die wesentlichen Elemente eines erfindungsgemäßen Gas- Sensorelements 200 zum besseren Verständnis dargestellt. Demnach ist in einem Substrat 201 eine leitende Bodenelektrode 202 (entsprechend der ersten metallischen Elektrode 111 aus Fig. 1H) angeordnet. Ferner ist eine freistehende Anordnung von Nanoröhren 203 gezeigt, die mit der leitenden Bodenelektrode 202 in elektrischem Kontakt stehen und sich vertikal von dieser geradlinig und parallel zueinander zu einer ebenfalls elektrisch leitenden Topelektrode 204 erstrecken, mit der sie ebenfalls elektrisch verbunden sind.

Ferner sind in Fig. 4 zwei Seitengates 205, 206 gezeigt, die parallel zueinander angeordnet sind und sich von der leitenden Bodenelektrode 202 bis zur leitenden Topelektrode 204 in vertikaler Anordnung zu den Elektroden 202, 204 erstrecken. Die beiden Seitengates 205, 206 sind jeweils von der Topelektrode 204 elektrisch isoliert, so dass die beiden Elektroden 202, 204 wie bei dem Gas-Sensorelement 100 nur über die Nanoröhren 203 in elektrischem Kontakt stehen.

Ein zwischen den Seitengates 205, 206 hindurchgeleitetes, zu detektierendes Gas führt bei dem Gas-Sensorelement 200 in Abhängigkeit von der Position der Seitengates 205, 206 zu einer unterschiedlich raschen Bedeckung der Nanoröhren 203, so dass durch die Positionierung der Seitengates 205, 206 der Arbeitspunkt des Gas-Sensorelements 200 eingestellt werden kann.

In diesem Dokument sind die folgenden Veröffentlichungen zitiert:
[1] J. Kong et al., Nanotube Molecular Wires as Chemical Sensors, Science 287, S. 622-625 (2000).
[2] J. S. Suh et al., Highly ordered two-dimensional carbon nanotube arrays, Appl. Phys. Lett. 75, S. 2047-2049 (1999).

Bezugszeichenliste

100

Gas-Sensorelement

101

Silizium-Substrat

102

Gräben

103

erste isolierende Schicht

104

Katalysatorschicht (Co)

105

erste metallische Schicht (Al)

106

Nanoröhren

106

a Endabschnitte der Nanoröhren

107

Haftschicht (Si₃

N₄

)

108

zweite isolierende Schicht

109

Kontaktloch

110

zweite metallische Schicht (W)
110a, b Leiterbahnabschnitte

111

erste metallische Elektrode

112

zweite metallische Elektrode

200

Gas-Sensorelement

201

Substrat

202

Bodenelektrode

203

Nanoröhren

204

Topelektrode

205

Seitengate

206

Seitengate

Claims

1. Gas-Sensorelement, aufweisend
eine erste metallische Elektrode;
eine zweite metallische Elektrode;
wenigstens eine Nanoröhre, wobei die erste und die zweite metallische Elektrode über die wenigstens eine Nanoröhre elektrisch miteinander verbunden sind und die wenigstens eine Nanoröhre eine zumindest teilweise freiliegende Oberfläche aufweist; und
eine Einheit zum Bestimmen des elektrischen Widerstandes zwischen der ersten und der zweiten metallischen Elektrode.

2. Gas-Sensorelement nach Anspruch 1, bei dem die Nanoröhre eine Kohlenstoff-Nanoröhre oder eine mit Bor-Nitrid dotierte Nanoröhre ist.

3. Gas-Sensorelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die wenigstens eine Nanoröhre zwischen der ersten und der zweiten metallischen Elektrode freistehend angeordnet ist.

4. Gas-Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein geordnetes Feld von Nanoröhren zwischen der ersten und der zweiten metallischen Elektrode angeordnet ist.

5. Gas-Sensorelement nach Anspruch 4, bei dem die Nanoröhren im wesentlichen geradlinig und parallel zueinander angeordnet sind.

6. Gas-Sensorelement nach Anspruch 4 oder 5, bei dem die Nanoröhren in einem konstanten, im Bereich zwischen 10 bis 20 nm liegenden Abstand zueinander angeordnet sind.

7. Gas-Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Nanoröhren eine Länge von 1 bis 10 µm aufweisen.

8. Gas-Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die erste und zweite metallische Elektrode und die wenigstens eine Nanoröhre auf einem Halbleiterchip gemeinsam integriert sind.

9. Gas-Sensorelement nach Anspruch 8, bei dem die Einheit zum Bestimmen des elektrischen Widerstandes einen auf dem Halbleiterchip integrierten Widerstandsensor aufweist.

10. Gas-Sensorelement nach Anspruch 8 oder 9, bei dem ein Heizelement zum Aufheizen der wenigstens einen Nanoröhre auf dem Halbleiterchip integriert ist.

11. Verfahren zum Herstellen eines Gas-Sensorelements,
bei dem wenigstens eine Nanoröhre mit einer zumindest teilweise freiliegenden Oberfläche ausgebildet wird und
bei dem eine erste metallische Elektrode und eine zweite metallische Elektrode so ausgebildet werden, dass die erste und die zweite metallische Elektrode über die wenigstens eine Nanoröhre elektrisch miteinander verbunden sind.

12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem ein geordnetes Feld von Nanoröhren zwischen der ersten und der zweiten metallischen Elektrode ausgebildet wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12,
bei dem auf einer ersten isolierenden Schicht ein Schichtsystem aus einer ersten metallischen Schicht und einer Katalysatorschicht aufgebracht wird, wobei die Katalysatorschicht eine porenstrukturierte Oberfläche aufweist;
bei dem auf der Katalysatorschicht ein der Porenstruktur entsprechendes Feld von Nanoröhren aufgewachsen wird;
bei dem eine zweite isolierende Schicht unter Abdeckung der Nanoröhren und des Schichtsystems aus erster metallischer Schicht und Katalysatorschicht aufgebracht wird;
bei dem die zweite isolierende Schicht unter partiellem Freilegen der Nanoröhren teilweise entfernt und in der zweiten isolierenden Schicht ein sich bis zur ersten metallischen Schicht erstreckendes Kontaktloch ausgebildet wird;
bei dem eine zweite metallische Schicht unter Auffüllen des Kontaktlochs und Bedeckung der Nanoröhren aufgebracht wird; und
bei dem die zweite metallische Schicht unter Belassen eines mit der ersten metallischen Schicht elektrisch verbundenen ersten Leiterabschnitts und eines mit den Nanoröhren elektrisch verbundenen zweiten Leiterabschnitts zur Ausbildung einer ersten und zweiten metallischen Elektrode partiell entfernt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die erste und/oder die zweite isolierende Schicht aus Silziumdioxid gebildet werden.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, bei dem die Katalysatorschicht aus Kobalt, Nickel oder Eisen gebildet wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, bei dem die erste metallische Schicht aus Aluminium gebildet wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, bei dem die zweite metallische Schicht aus Wolfram gebildet wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, bei dem nach dem Aufbringen der ersten metallischen Schicht auf der Katalysatorschicht zum Ausbilden der porenstrukturierten Oberfläche der Katalysatorschicht Poren in der ersten metallischen Schicht ausgebildet werden.

19. Verfahren nach Anspruch 18, bei dem die Poren in einem konstanten, im Bereich zwischen 10 bis 20 nm liegenden Abstand zueinander ausgebildet werden.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 19, bei dem zum Aufwachsen der Nanoröhren das Verfahren der Gasphasenabscheidung angewandt wird.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 20, bei dem nach dem Aufwachsen der Nanoröhren und vor dem Aufbringen der zweiten isolierenden Schicht eine Haftschicht auf der ersten isolierenden Schicht, dem Schichtsystem aus Katalysatorschicht und erster metallischer Schicht und den Nanoröhren aufgebracht wird, wobei die Haftschicht nach dem partiellen Entfernen der zweiten metallischen Schicht ebenfalls entfernt wird.

22. Verfahren nach Anspruch 21, bei dem die Haftschicht aus Silizium-Nitrid gebildet wird.

23. Verfahren zur Detektion von Gasen, in einer Anordnung aus einer ersten metallischen Elektrode, einer zweiten metallischen Elektrode und wenigstens einer Nanoröhre, wobei die erste und die zweite metallische Elektrode über die wenigstens eine Nanoröhre elektrisch miteinander verbunden sind und die wenigstens eine Nanoröhre eine zumindest teilweise freiliegende Oberfläche aufweist,
bei dem die wenigstens eine Nanoröhre einem zu detektierenden Gas ausgesetzt wird, und
bei dem der elektrische Widerstand der Nanoröhre gemessen wird.

24. Verfahren nach Anspruch 23, bei dem die Nanoröhre nach der Messung des elektrischen Widerstandes auf eine Temperatur von 200°C oder darüber aufgeheizt wird.