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Kohlenstoffnanoröhren (CNT)

Kohlenstoffnanoröhren für Interconnect- und Sensoranwendungen

 

Seit der Entdeckung der Kohlenstoffnanoröhren (Carbon Nanotubes – CNT) im Jahre 1991 wurde ein hoher Aufwand betrieben, um von ihren hervorragenden strukturellen, elektronischen und mechanischen Eigenschaften bei verschiedensten Anwendungen zu profitieren. Im Falle elektronischer Anwendungen sind dies die extrem hohe Stromtragfähigkeit, die Unempfindlichkeit gegenüber Elektromigration sowie ihre ausgezeichnete thermische Leitfähigkeit. Diese Eigenschaften machen CNTs zu einem idealen Via-Material für zukünftige Interconnectsysteme von integrierten Schaltkreisen, worin der Fokus unserer gegenwärtigen Arbeit liegt. Das Ziel unserer Arbeit auf dem Gebiet der CNTs für Interconnects ist es, ein selektives Wachstum von hochwertigen und dichten CNT-Schichten bei Temperaturen unter 450°C zu erreichen. Des Weiteren arbeiten wir gemeinsam mit Forschungsgruppen der TU Chemnitz an der praktischen Anwendung von CNTs als Grundbestandteil in NEMS und als Sensormaterial mit hoher Sensitivität und Selektivität. Darüber hinaus sind gute elektrische Kontakte an der CNT-Metall-Grenzschicht und die Ausrichtung der MWNTs oder SWNTs für unsere Zwecke unerlässlich. Für die Integration der CNTs verfolgen wir die nachstehenden zwei Ansätze:

 

(1) Die Chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) wird für direktes Wachstum von CNTs auf Substraten angewendet. Hierfür nutzen wir einen speziellen CVD-Hochtemperaturreaktor (Abb. 1), um Proben mit einem Durchmesser von bis zu 100 mm zu bearbeiten. Wahlweise können wir auch ein elektrisches Feld während des Prozesses anlegen, um ein gerichtetes CNT-Wachstum zu erzielen. Für das Wachstum von CNTs nutzen wir metallische Katalysatoren wie Nickel oder auch bimetallische Katalysatoren. Als Reaktionsgas wird Ethylen oder Acethylen verdünnt in N2/H2 eingesetzt. Unser vorrangiges Ziel ist es, dicht gepackte vertikale CNT-Strukturen mit guter struktureller Qualität bei niedrigen Temperaturen wachsen zu lassen.

 

(2) Das Dielektrophoreseverfahren (DEP) ist der zweite Ansatz zur selektiven und gerichteten Abscheidung von CNTs. Das Potential dieses Verfahrens zur Abscheidung hochqualitativer ein- und mehrwandiger CNTs ist der Schlüsselfaktor für die CNT-Integration in temperaturempfindliche Systeme. Ziel ist dabei die horizontale CNT-Abscheidung aus einer hoch verdünnten Dispergierung mit hohem Ausrichtungsgrad und geringfügigen Rückständen.

 

Ausgewählte Ergebnisse

Bei der CVD von CNTs wird der Einfluss von Prozessparametern (Temperatur, Gasmischung), Substrat und Katalysatoren auf das Wachstum und die Eigenschaften von CNTs untersucht. Mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren (MWCNTs) in dünnen Schichten werden bei Temperaturen von 450°C bis 700°C aufgewachsen. Untersuchungen im REM und TEM zeigten MWCNTs mit kontrollierbarem Durchmesser von 10 bis 20 nm. Ramanmessungen wurden angewandt, um die Wirkung von Prozessbedingungen auf die CNT-Qualität zu untersuchen. Sie ließen erkennen, dass MWCNTs mit einer relativ geringen Fehlerdichte erzielt werden können. Des Weiteren konnte auf Single-Damascene-Kupferleitbahnen mit TiN-Barriere ein selektives Wachstum von CNTs erreicht werden (Abb. 2).

In DEP-Experimenten werden Untersuchungen zur Platzierung ungebündelter CNTs zwischen Elektroden durchgeführt. Zu diesem Zwecke wurden CNT-Dispersionen mit verschiedenen CNT-Materialen und Dispergiermitteln erprobt. Auf diese Art und Weise wurde eine Ausrichtung dichter SWNTs auf Elektrodenstrukturen erreicht (Abb. 3).