Diamanten für die Mikroelektronik

Die Widerstandsfähigkeit von Diamanten gegen elastische (reversible) Formänderungen unter Belastung (hohen Elastizitätsmodul) ermöglicht Resonatoren für sehr hohe Frequenzen und mit hohen Qualitätsfaktoren. Außerdem stellt die Kompatibilität von NCD mit silizium-komplementärer Metalloxid-Halbleiter-Technologie einen wesentlichen Vorteil gegenüber vielen anderen MEMS-Materialien dar.

Im Rahmen des EU-geförderten Projekts DIAMEMS ("Microelectromechanical systems from nanocrystalline diamond") haben Wissenschaftler NCD-Produktion und -Glättung optimiert. Die Fähigkeit, glatten und einheitlichen NCD für große Flächen und mit Eigenschaften von bulk-Diamant zu produzieren, könnte die Kosten für derzeitige Anwendungen mit bulk-Diamant reduzieren. Außerdem könnte dadurch neuen Anwendungen außerhalb des MEMS-Bereichs der Weg geebnet werden, etwa für tribologische Beschichtungen.

Eine optimierte Keimbildung und chemische Dampfabscheidung bei relativ niedrigen Temperaturen (400 Grad Celsius) führten zu einheitlichen NCD-Filmen mit Dicken von 30 nm. Die Glättung mit zu sehr niedrigen Rauheitswerten mittels chemisch-mechanischem Polieren wurde in einer viel beachteten Publikation beschrieben.

Die Integration von Aluminiumnitrid (AlN), einer in der Mikroelektronik weit verbreiteten Keramik, wurde auf zwei verschiedene Arten bewerkstelligt. Die erste, eher traditionelle Methode der Bildung von AlN auf der polierten NCD-Oberfläche führte zu Oberflächenschallwellenvorrichtungen (häufig als Hochfrequenzfilter oder Oszillatoren verwendet) für Frequenzen oberhalb von 15 GHz. Sie wurden als hochpräzise Drucksensoren für besonders raue Umgebungen präsentiert und führten zu Investitionen durch ein sehr großes Telekommunikationsunternehmen. Hierzu wurden drei weitere Artikel veröffentlicht.

Im zweiten Verfahren wurde die Spannungsdifferenz zwischen der Oberfläche der NCD-Samen und der Bulk-Abscheidungslösung (Zeta-Potential) manipuliert. Durch das Entfernen des Planarisierungsschritts lassen sich die Kosten erheblich reduzieren. Dieser Ansatz führte zur Demonstration von Hochfrequenz-MEMS und Insgesamt führten die Arbeiten an AlN und NCD zu sechs Publikationen.

Das Dotieren oder die Zugabe von Verunreinigungen wie Bor können aus NCD einen der besten elektrischen Isolatoren an einem Supraleiter machen. Untersuchungen zur Verwendung dieses Phänomens bei MEMS führten zur Demonstration eines supraleitenden Nanoresonators und einer weiteren Veröffentlichung.

DIAMEMS demonstrierte in vollem Umfang die Verwendbarkeit von nanoskaligem Diamant in elektronischen Geräten und ebnete den Weg für große Kosteneinsparungen in einer Reihe von Bereichen. Wie an den großen Investitionen der Industrie in die weitere Entwicklung zu sehen, werden die Ergebnisse wichtige sozioökonomische Implikationen haben.