Die vorliegende Erfindung betrifft ein Zwischenprodukt zur Herstellung einer nanoelekt ronischen Bauelementstruktur, wobei das Zwischenprodukt ein Substrat, wenigstens eine in dem Substrat ausgebildete Kavität und wenigstens eine die jeweilige Kavität zu mindest teilweise überspannende Nanostruktur aufweist. Die Erfindung betrifft ferner eine nanoelektronische Bauelementstruktur, die ein Substrat, wenigstens eine in dem Substrat ausgebildete Kavität und wenigstens eine die jeweilige Kavität zumindest teil weise überspannende Nanostruktur aufweist. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer nanoelektronischen Bauelementstruktur, bei dem in ein Substrat wenigstens eine Kavität eingebracht wird und die jeweilige Kavität mit wenigstens einer Nanostruktur überbrückt wird.

Die moderne Elektronik fordert materialseitig immer mehr Funktionalität bei reduziertem Platz- und Energiebedarf, um den Ansprüchen der heutigen Gesellschaft und Industrie zu genügen.

Dabei sind 1 D- und 2D-Nanomaterialien bzw. darauf basierende Nanostrukturen auf grund Ihrer zumeist außergewöhnlichen intrinsischen Eigenschaften wie Dimensionalität, Belastbarkeit, elektronischen Eigenschaften, höchster Sensitivität und Güte bei reduzier ter Energiedissipation prädestiniert, um hier eingesetzt zu werden.

Graphen, eine Modifikation des Kohlenstoffs mit zweidimensionaler Struktur, in der jedes Kohlenstoffatom im Winkel von 120° von drei weiteren umgeben ist, sodass sich ein bie nenwabenförmiges Muster ausbildet, ist zurzeit das begehrteste und am meisten studier te Nanomaterial. Aus der Klasse der 1D-Nanomaterialien sind beispielsweise Nanoröh- ren, d. h. längliche Hohlkörper mit weniger als 100 nm Durchmesser, im Einsatz. Be kannt und gut untersucht sind hierbei beispielsweise Kohlenstoffnanoröhren. Ebenso gibt es Nanodrähte aus Silizium und verschiedenen anderen Materialien. Mittlerweile findet man beispielsweise eindimensionale Nanostrukturen, wie z. B. Kohlen- stoffnanoröhren, in verschiedensten industrierelevanten Applikationen wie in Sensoren, Hochfrequenz-Transceivern, nichtflüchtigen Speichern, digitalen Architekturen und Sicherheitsprimitiven für Hardware. Für viele dieser Anwendungen mangelt es jedoch noch an geeigneten skalierbaren und reproduzierbaren Integrationstechnologien, um die vorher erwähnten hervorragenden Eigenschaften innerhalb von Domänen konstanter physikalischer Struktur und Ausrichtung der Nanomaterialien, wobei die jeweilige Aus dehnung einer Domäne im ein- bis zweistelligen Mikrometerbereich liegt, flächende ckend nutzbar zu machen. Repräsentativ für den prägnanten Einfluss von mechanischen Spannungszuständen sind die außerordentlich hohen Sensitivitätsfaktoren für ausge wählte Domänenstrukturen piezoresistiver Sensoren aus Nanomaterialien. Diese sind zumeist nur in Einzelbauelementen gemessen, aber aufgrund unzureichender Vergleich barkeit der Domänen untereinander noch nicht in hoher Stückzahl gefertigt worden.

Hier kann es beispielsweise unter Undefinierten Spannungs- und strukturellen Assemb lierungszuständen der Nanomaterialien zum Auftreten von parasitären Oberflächenver zerrungen oder Effekten wie einem Slip-Stick-Verhalten in ein- und zweidimensionalen piezoresistiven Sensoren oder Nanoresonatoren kommen, welche zur Degradation des Leistungsverhaltens, wie etwa zu Hysterese, Drift und erhöhter Varianz der Bauteilei genschaften, wie z. B. Bandlücken, Ladungsträgermobilität und/oder Resonanzfrequen zen, führen. Die Oberflächenverzerrungen verhindern beispielsweise einen homogenen und faltenfreien Übertrag von Graphen auf ein Zielsubstrat und beeinträchtigen außer dem die elektrischen Eigenschaften, indem lokal die elektronische Materialstruktur ver ändert wird.

Neben den genannten parasitären Effekten war es auch aufgrund des geringen Flächen trägheitsmomentes der Nanomaterialien bisher nicht möglich, mechanische Druckspan nung mittels piezoresistiver Sensoren aus Nanomaterial zu detektieren. Erschwerend hinzu kommt ebenfalls die intrinsische Variabilität der Nanomaterialien, aufgrund unter schiedlicher Assemblierungssymmetrie für zweidimensionale Nanostrukturen und der Chiralität für eindimensionale Nanostrukturen, welche von Natur aus eine Variabilität der elektronischen Eigenschaften bedingt. Ursächlich hat dies in der Vergangenheit eine Realisierung von typischen Kompensationsschaltungen wie Halb- oder Vollbrücken be hindert. Nanomaterialien haben unbestritten ein enormes Potenzial, um die „Beyond-CMOS“-Ära auf Basis neuartiger Elektronikkonzepte, wie etwa der 3D-Hyperintegration, entschei dend zu prägen. Es fehlt jedoch momentan an kontrollierbaren, skalierbaren und repro duzierbaren Integrationstechnologien, in welchen beispielsweise eine Kontrolle des me chanischen Verspannungszustandes von Nanostrukturen möglich ist.

Es gibt im Stand der Technik Ansätze, um den mechanischen Verspannungszustand von Nanomaterialien gezielt einzustellen oder zu beeinflussen.

So kann durch bestimmte Oberflächentechnologien eine dauerhafte Verspannung her gestellter Nanomaterial-Bauteile eingestellt werden.

Beispielsweise ist es grundsätzlich denkbar, auf Nanomaterialien, wie es aus der kon ventionellen Silizium-basierten MOSFET-Technologie bekannt ist, als Stressoren fungie rende Deckschichten aufzubringen und gegebenenfalls zu strukturieren. Dies ist jedoch mit enormen Herausforderungen hinsichtlich der Prozesskompatibilität verbunden, so- dass sich hierzu keine Veröffentlichungen finden.

Ferner sind Technologien bekannt, bei welchen die jeweilige Nanomaterial-Zone freige stellt und nachfolgend modifiziert wird, um eine feste Verspannung zu realisieren.

Zudem ist es möglich, direkt während der Nanomaterialintegration eine Vorspannung in das Nanomaterial einzubringen. Hierzu kann eine Transfer-Trägermembran genutzt wer den, die bei dem Übertrag des Nanomaterials auf die auszubildende Struktur mecha nisch gedehnt wird. Mit einer solchen Technologie kann jedoch weder lokal variabel noch multidirektional eine Spannung in das Nanomaterial eingebracht werden.

Darüber hinaus kann eine temporäre lokale Modifikation des Verspannungszustandes von aufgespannten Nanomaterialien vorgenommen werden, indem beispielsweise eine Sonde oder eine direkt auf der betreffenden Probe gefertigte, bewegliche MEMS-Aktorik zum Einsatz kommen. Solche Bauelemente sind jedoch aufgrund der hohen Komplexität und des hohen Anspruchs bei Fertigungstechnologien und Betriebsbedingungen ledig lich für Einzelbauelementuntersuchungen nicht aber für eine skalierbare Umsetzung in industrierelevante Applikationen geeignet. Um z. B. mit sondenmikroskopischen Verfahren den Verspannungszustand von Nano- materialien lokal zu modifizieren, ist ein immens hoher Einsatz von nachgelagerter Steu erelektronik und peripherer Systeme, z. B. zur Schwingungsdämpfung, erforderlich. Au ßerdem sind hierbei Effekte, welche durch die Verspannung oder die Deformation des Nanomaterials an der Sonde bewirkt werden, und Streufelder der Sonde nicht mehr klar voneinander unterscheidbar.

Thermische oder elektrostatische MEMS-Aktoren, die mit integrierten Nanomaterialien kombiniert werden, sind im Vergleich zum jeweiligen Nanobauelement mit einem extre men Platzbedarf und einer ressourcenintensiven MEMS-Technologie verbunden und damit nicht für die Serienfertigung skalierbar einsetzbar. Außerdem ist die Verspannung der Nanomaterialien in diesen Bauelementen ohne weitere Anstrengungen stark anfällig gegenüber Vibrationen und Inertialbewegungen und unter Umständen wird zusätzliche Energie zum Betrieb des Aktors benötigt. Das Wirkprinzip der Aktoren bringt zusätzlich parasitäre Effekte wie Potential- und/oder Temperaturgradienten in das System ein.

Ferner kann zum Induzieren einer mechanischen Verspannung ein auf oder an einer eine Kavität überspannenden Membran aus Nanomaterial platziertes Gewicht zum Ein satz kommen oder eine Druckdifferenz zwischen einer Membran aus Nanomaterial und einem von dieser Membran in einer Kavität eingeschlossenen Gas-, Fluid- oder Festkör pervolumen ausgebildet werden. Abgesehen vom technologischen und aktorischen Mehraufwand sowie vergleichsweise großem Platzbedarf und damit begrenzter Skalier- barkeit sind bei solchen Anordnungen die Verspannungsrichtungen meist in alle Raum richtungen verteilt, sodass eine örtlich sehr präzise Platzierung des Nanomaterials zur Sicherstellung der eingeprägten Spannungszustände erforderlich wäre.

Zusammenfassend sind bisher keine Nanomaterial-Bauelemente demonstriert worden, welche in einer skalierbaren, parallelen Fertigung auf Wafer-Niveau hergestellt wurden und gleichzeitig spannungszustandsabhängige intrinsische Effekte innerhalb einer Na- nomaterial-Domänengrenze oder von verschiedenen Nanostrukturen mit hoher Flächen dichte gezielt steuerbar und skalierbar zugänglich machen. Vielmehr sind technologisch höchst aufwändige und ressourcenintensive Ansätze wie MEMS-Technologien oder Sondenmanipulation an größtenteils Einzelteilen gezeigt worden. Diese Ansätze erfor dern aber einen vergleichsweise großen Platzbedarf für die Manipulationswerkzeuge der Nanoobjekte. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine mit bestehenden Integrations technologien herstellbare nanoelektronische Bauelementstruktur mit definiert einstellba rer mechanischer Verspannung und gegebenenfalls ein Zwischenprodukt für deren Her stellung zur Verfügung zu stellen. Ferner soll ein Verfahren zur Herstellung einer hin sichtlich ihrer mechanischen Verspannung einstellbaren nanoelektronischen Bauele mentstruktur vorgeschlagen werden, das zu bestehenden Integrationstechnologien kom patibel ist.

Diese Aufgabe wird zum einen erfindungsgemäß durch ein Zwischenprodukt zur Herstel lung einer nanoelektronischen Bauelementstruktur gelöst, wobei das Zwischenprodukt ein Substrat, wenigstens eine in dem Substrat ausgebildete Kavität und wenigstens eine die jeweilige Kavität zumindest teilweise überspannende Nanostruktur aufweist, wobei die Kavität zumindest teilweise mit einem selektiv zum Material des Substrates ätz- oder auflösbaren Opfermaterial gefüllt ist und das Zwischenprodukt entweder wenigstens ein seitig der jeweiligen Kavität wenigstens einen die wenigstens eine Kavität teilweise über lappenden Ausleger mit einer über der wenigstens einen Kavität ausgebildeten Lücke oder wenigstens einen die Kavität überspannenden Ausleger mit einer über der wenigs tens einen Kavität ausgebildeten Sollbruchstelle aufweist, wobei die wenigstens eine Nanostruktur auf dem wenigstens einen Ausleger, jeweils die Lücke oder die Sollbruch stelle überspannend angeordnet ist und jeweils beidseitig der Lücke oder der Sollbruch stelle von jeweils einer Kontaktelektrode überdeckt ist.

Aus dem erfindungsgemäßen Zwischenprodukt ist die Ausbildung einer nanoelektroni schen Bauelementstruktur mit lokal kontrollierbaren bzw. lokal einstellbaren mechani schen Spannungszuständen möglich.

Hierfür weist das Zwischenprodukt das Substrat auf, in dem die wenigstens eine, jeweils mit dem Opfermaterial gefüllte Kavität ausgebildet ist. Das Substrat kann beispielsweise aus Silizium oder einem anderen Halbleitermaterial ausgebildet sein. In, auf oder unter dem Substrat können auch andere mikroelektronische und/oder mikromechanische Strukturen, wie elektrische Anschlüsse, Elektroden, Kanäle, Membranen usw., vorgese hen sein. Das Opfermaterial bildet bei dem erfindungsgemäßen Zwischenprodukt eine geeignete Grundlage zur Abscheidung des wenigstens einen Auslegers und zur Aufbringung der wenigstens einen Nanostruktur. Zudem kann der jeweilige auf dem Opfermaterial befind liche Ausleger darauf gut strukturiert bzw. gut darauf strukturiert abgeschieden werden, sodass sich daraus die Lücke oder die Sollbruchstelle über der jeweiligen Kavität ergibt.

Das Opfermaterial ist im Vergleich zu dem Material des Substrates selektiv ätz- oder lösbar, sodass es ohne Beeinträchtigung des Substratmaterials aus diesem entfernt wer den kann. Nach einer solchen zumindest teilweisen Entfernung des Opfermaterials hat der Teil des Auslegers, der über die Kavität ragt, keinen physischen Kontakt mehr zum Opfermaterial und kann daher relaxieren, wodurch eine gezielte Verbiegung der Ausle gerenden des Auslegers und der darauf befindlichen Nanostruktur erzeugt werden kann, wodurch also gezielt eine bestimmt mechanische Verspannung in die Nanostruktur ein gebracht werden kann. Ferner können durch die Entfernung des Opfermaterials freige legte Auslegerenden derart behandelt werden, dass sich in ihnen eine bestimmte Span nung aufbaut, mit Hilfe der die auf dem jeweiligen Auslegerende befindliche Nanostruktur gespannt werden kann.

Ist zwischen zwei sich jeweils teilweise über die Kavität erstreckenden Auslegern bereits eine Lücke über der Kavität vorhanden, kann sich - je nach vorhandener Vorspannung des jeweiligen Auslegers - ein neben der Lücke befindliches Auslegerende des Ausle gers nach einer solchen, wenigstens teilweisen Entfernung des Opfermaterials in das freigelegte Innere der Kavität hineinwölben oder von der Kavität wegwölben oder auch gerade stehen bleiben.

Weist ein sich über die Kavität erstreckender Auslegern zunächst nur eine Sollbruchstel le über der Kavität auf, kann die Sollbruchstelle beispielsweise mittels Ultraschall oder durch eine mechanische Einwirkung durchbrochen werden, wodurch sich beidseitig der durchbrochenen Sollbruchstelle freie Auslegerenden ergeben, von welchen sich - je nach vorhandener Vorspannung des jeweiligen Auslegers - wenigstens eines nach der zumindest teilweisen Entfernung des Opfermaterials in das freigelegte Innere der Kavität hineinwölben oder von der Kavität wegwölben kann oder gerade über der Kavität stehen bleiben kann. Die Sollbruchstelle ist eine vorstrukturierte Trenn- oder Aufrissstelle. Sie bildet ein nachträglich entfernbares oder öffenbares Halteelement aus, dessen Entfer- nung oder Öffnung es möglich macht, einen ursprünglich in den jeweiligen Ausleger ein- gebrachten Verspannzustand zu entlassen und dadurch die Nanostruktur zu spannen.

Die Sollbruchstelle kann durch äußere mechanische und/oder thermische und/oder sub- traktive Stimulation durchtrennt werden.

Da sich die jeweilige Nanostruktur auf dem wenigstens einen Ausleger befindet, wölbt sich diese mit dem jeweiligen Auslegerende, d. h. entweder in die Kavität hinein oder von der Kavität weg, oder bleibt gerade über der Kavität stehen.

Dabei wird die wenigstens eine Nanostruktur beidseitig der Kavität jeweils durch eine der Kontaktelektroden festgehalten.

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zwischenstruktur steht der wenigstens eine Ausleger unter mechanischer Zugspannung. Bei dieser Ausfüh rungsform der Erfindung wölbt sich nach der zumindest teilweisen Entfernung des Op fermaterials wenigstens eines der dadurch freigelegten Auslegerenden und damit auch die darauf befindliche Nanostruktur in die Kavität hinein.

Durch die mechanische Vor- oder -aufspannung des wenigstens einen Auslegers lassen sich in einer aus dem Zwischenprodukt hergestellten nanoelektronischen Bauelement struktur sowohl deren elektronische Materialeigenschaften, wie die Ladungsträgermobili tät, als auch deren Bauelementeigenschaften, wie Güte und Resonanzfrequenz, verbes sern und sogar kontrollieren.

Obwohl bei der vorliegenden Erfindung keine Ausnahmen hinsichtlich der Verwendbar keit von Nanomaterialien für die wenigstens eine Nanostruktur bestehen, eignen sich für die Ausbildung der wenigstens einen Nanostruktur Graphen und/oder wenigstens eine Kohlenstoffnanoröhre besonders gut. Diese Nanomaterialien lassen sich gut in beste hende Fertigungstechnologien integrieren.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn als Opfermaterial Kupfer, Wolfram, Siliziumdi oxid und/oder Aluminiumoxid verwendet wird, da diese Materialien gut abscheidbar sind und die erforderliche Ätzselektivität zu Silizium als Substratmaterial besitzen. Grundsätz lich sind jedoch auch andere Opfermaterialien einsetzbar. Das jeweilige Opfermaterial sollte selektiv zum verwendeten Substratmaterial aus der jeweiligen Kavität entfernbar sein. So kann das Opfermaterial sowohl anorganisch als auch organisch sein. Zudem kann das Opfermaterial mit subtraktiven Verfahren entweder trocken oder nass entfernbar sein.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Zwischenproduktes ist in wenigstens einer der wenigstens einen Kavität wenigstens eine Steuerelektrode ange ordnet oder ausgebildet. Die jeweilige Steuerelektrode besteht aus mindestens einem elektrisch leitfähigen Material. Die jeweilige Steuerelektrode befindet sich bei dem Zwi schenprodukt typischerweise am Boden der Kavität, unter dem Opfermaterial und kann somit durch Entfernung des Opfermaterials freigelegt werden. Mit der Steuerelektrode kann, ähnlich einer Gateelektrode bei MOSFET-Strukturen, eine Ladungsträgerbeein flussung in der Nanostruktur vorgenommen werden. Bei der vorliegenden Erfindung ist Struktur- und verfahrensbedingt die Abstandseinstellung zwischen der Steuerelektrode und der jeweiligen Nanostruktur über die Dicke des Opfermaterials und/oder des jeweili gen Auslegers selbstlimitierend einstellbar. Zudem können bei dieser Ausführungsform der Erfindung die Tiefe der Kavität und die Dicke sowie die jeweils die Kavität am Kavi tätsrand überstehende Länge des jeweiligen Auslegers so gewählt werden, dass das Auslegerende nach Entfernung des Opfermaterials auf der Steuerelektrode aufsitzt, es also zu einem „Gate-Touchdown“ des Auslegers auf der Steuerelektrode kommt.

Die Aufgabe wird ferner erfindungsgemäß durch eine nanoelektronische Bauelement struktur gelöst, die ein Substrat, wenigstens eine in dem Substrat ausgebildete Kavität und wenigstens eine die jeweilige Kavität zumindest teilweise überspannende Nano struktur aufweist, wobei die nanoelektronische Bauelementstruktur wenigstens einseitig der jeweiligen Kavität wenigstens einen die wenigstens eine Kavität teilweise überlap penden Ausleger aufweist, der an seinem über oder in die jeweilige Kavität ragenden Auslegerende gebogen oder geschrumpft ist, wobei über der wenigstens einen Kavität eine Lücke ausgebildet ist, und wobei die wenigstens eine Nanostruktur auf dem wenigs tens einen Ausleger, jeweils die Lücke überspannend angeordnet ist und zwischen dem wenigstens einen Ausleger und jeweils beidseitig der Lücke ausgebildeten Kontaktelekt roden fixiert ist.

Die erfindungsgemäße nanoelektronische Bauelementstruktur kann aus einer Ausfüh rungsform des oben beschriebenen Zwischenproduktes ausgebildet werden. Im Gegensatz zu dem oben beschriebenen Zwischenprodukt ist bei der erfindungsge mäßen nanoelektronischen Bauelementstruktur kein Opfermaterial oder nur so wenig Opfermaterial in der Kavität, dass der wenigstens eine Ausleger oberhalb der Kavität freigelegt ist.

Bei der erfindungsgemäßen nanoelektronischen Bauelementstruktur ist der wenigstens eine Ausleger entweder durch die zumindest teilweise Entfernung des stützenden Op fermaterials aus der jeweiligen Kavität relaxiert und dadurch vertikal gebogen und/oder durch Schrumpfen horizontal kontrahiert. Bedingt durch die Relaxation der intrinsischen Spannungszustände und/oder die gezielte Spannungseinbringung durch das Schrump fen ist bei der erfindungsgemäßen nanoelektronischen Bauelementstruktur die laterale Projektion des jeweiligen Auslegers im Vergleich zu dessen lateraler Ausdehnung im Zwischenprodukt verkürzt. Da darüber hinaus bei der erfindungsgemäßen nanoelektro nischen Bauelementstruktur die wenigstens eine Nanostruktur auf dem wenigstens einen Ausleger jeweils die Lücke überspannend angeordnet und zwischen dem wenigstens einen Ausleger und den jeweils beidseitig der Lücke ausgebildeten Kontaktelektroden fixiert ist, wird die Nanostruktur gespannt. Die Nanostruktur ist somit bei der erfindungs gemäßen nanoelektronischen Bauelementstruktur in Strecklage versetzt.

Bei der erfindungsgemäßen nanoelektronischen Bauelementstruktur hat die wenigstens eine Nanostruktur eine durch die Wölbung und/oder Schrumpfung wenigstens eines Aus legerendes eingestellte mechanische Verspannung.

Wenn sich wenigstens ein Auslegerende in die Kavität hineinwölbt, ist die wenigstens eine Nanostruktur, die auf dem wenigstens einen Ausleger angeordnet ist und sich somit mit in die Kavität hineinwölbt, auf Zug gespannt. Dann ist also die wenigstens eine Na nostruktur zwischen den Kontaktelektroden mechanisch auf Zug gespannt.

Gleiches gilt, wenn sich wenigstens ein Auslegerende so wölbt, dass es sich von der Kavität wegwölbt du sich dadurch auch die auf dem wenigstens einen Ausleger befindli che Nanostruktur von der Kavität wegwölbt. Ist wenigstens ein Auslegerende geschrumpft, ist die wenigstens eine auf dem jeweiligen Auslegerende liegende, mittels jeweils einer Elektrode dort festgehaltene und sich über die Kavität erstreckende Nanostruktur gestreckt, also auf Zug gespannt.

Das heißt, bei jeglicher, durch Entspannung oder Schrumpfung hervorgerufenen Verbie gung oder Verformung des wenigstens einen Auslegers ändert sich auch dessen laterale Projektion, sodass sich Fixpunkte zwischen dem Ausleger und der darauf befindlichen Nanostruktur voneinander weg bewegen, wodurch eine Zugspannung in die Nanostruk tur eingebracht wird.

Indem sich bei der erfindungsgemäßen nanoelektronischen Bauelementstruktur die we nigstens eine Nanostruktur über die jeweilige Kavität erstreckt, ist die jeweilige Nano struktur im funktionell aktiven Bereich vom Substrat entkoppelt, wodurch die Eigenschaf ten der Nanostruktur frei von parasitären Einflüssen des Substrats gehalten werden kön nen. Die erfindungsgemäße nanoelektronische Bauelementstruktur weist somit wenigs tens eine vorgespannte, vom Substrat entkoppelte Nanostruktur auf.

Die Entkopplung vom Substrat ist zum Beispiel dann, wenn die erfindungsgemäße na noelektronische Bauelementstruktur als Nanoresonator genutzt wird oder wenigstens einen Nanoresonator aufweist, wichtig, um parasitäre Wechselwirkungen mit dem Sub strat zu unterdrücken.

Die erfindungsgemäße nanoelektronische Bauelementstruktur kann beispielsweise auch ein piezoresistiver Nanomaterial-Dehnungssensor sein, der durch die Vorspannung der wenigstens einen Nanostruktur befähigt ist, erstmals Druckspannung zu detektieren.

Die erfindungsgemäße nanoelektronische Bauelementstruktur besitzt den Vorteil, dass sie mittels gängiger Oberflächentechnologien skalierbar und reproduzierbar hergestellt werden kann.

Weiterhin ist die erfindungsgemäße nanoelektronische Bauelementstruktur äußerst energieeffizient, da keine Peripherie benötigt wird, welche die wenigstens eine Nano struktur aktiv vorspannt und Energie verbraucht. Die an der wenigstens einen Nanostruk tur eingestellte bzw. einstellbare Vorspannung ist dauerhaft. In bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen nanoelektronischen Bau elementstruktur ist die wenigstens eine Nanostruktur zwischen den Kontaktelektroden auf Zug gespannt.

Vorzugsweise ist bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen nanoelektronischen Bauelementstruktur eine von dem Substrat weggewandte Seite der wenigstens einen Nanostruktur stärker gespannt als eine zu dem Substrat hingewandte Seite der wenigs tens einen Nanostruktur. Um dies zu erreichen, kann beispielsweise eine von dem Sub strat wegzeigende Seite des Auslegers, auf dem die jeweilige Nanostruktur angeordnet ist, stärker als eine an das Substrat angrenzende Seite dieses Auslegers geschrumpft sein.

Um beispielsweise einen Stromfluss in der wenigstens einen Nanostruktur steuern zu können, ist es von Vorteil, wenn in wenigstens einer der wenigstens einen Kavität we nigstens eine Steuerelektrode angeordnet ist. Vorzugsweise ist eine solche Steuerelekt rode am Boden der jeweiligen Kavität angeordnet.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Substrat eine Mehrzahl der Kavitäten auf, die jeweils von wenigstens einer der Nanostrukturen überspannt sind, wo bei wenigstens zwei der Kavitäten unterschiedliche Breiten und/oder Tiefen und/oder Längen aufweisen und/oder wenigstens zwei der Nanostrukturen unterschiedliche Brei ten und/oder Längen aufweisen und/oder wenigstens zwei der Nanostrukturen in unter schiedliche Raumrichtungen ausgerichtet und/oder mechanisch gespannt sind. So kön nen die jeweiligen Nanostrukturen mit unterschiedlicher Spannungshöhe und/oder Spannungsausrichtung ausgebildet werden, wodurch sie für unterschiedliche Messberei che und/oder für die Erfassung unterschiedlicher Kraft- oder Spannungsvektoren ausge legt werden können. Ferner können auf diese Weise durch die jeweiligen Nanostrukturen etwaige Messfehler ausgeglichen und/oder Messsignale verstärkt werden, da beispiels weise bei piezoresistiven Halbbrückenschaltungen sowohl Sensor- als auch Ausgleichs elemente innerhalb einer Zone homogener Eigenschaften, d. h. innerhalb der Domänen grenze, der jeweiligen Nanostruktur realisiert werden können.

In favorisierten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen nanoelektronischen Bauele mentstruktur weist die wenigstens eine Nanostruktur Graphen und/oder wenigstens eine Kohlenstoffnanoröhre auf. Es kommen jedoch für die Ausbildung der wenigstens einen Nanostruktur auch andere Nanomaterialien, wie zum Beispiel Nanodrähte mit einem Durchmesser in einem Bereich bis maximal 100 nm aus anderen Metallen, Nichtmetallen oder Halbleitern, in Betracht.

In einer günstigen Ausführungsform der Erfindung befindet sich wenigstens in der we nigstens einen Kavität ein geschrumpftes Füllmaterial, auf dem wenigstens ein Ausle gerende aufliegt oder in das wenigstens ein Auslegerende eingebunden ist. So kann bei der erfindungsgemäßen nanoelektronischen Bauelementstruktur wenigstens einer der Ausleger bedingt durch den Wegfall der vorherigen Auslegerfixierung infolge Opfermate rialentfernung und durch Auflage oder Einbindung des jeweiligen Auflegers auf bzw. in das geschrumpfte Füllmaterial in einen neuen, dauerhaft definierten Spannungszustand verbracht sein oder werden.

Das Füllmaterial kann ein Material sein, das neben der Schrumpfungseigenschaft auch noch andere Zwecke, wie eine Passivierung wenigstens eines Teils der nanoelektroni schen Bauelementstruktur und/oder eine Fixierung wenigstens eines Elementes der nanoelektronischen Bauelementstruktur, erfüllt. Mit der Passivierung kann beispielsweise eine hermetische Abschirmung des Nanomaterials der jeweiligen Nanostruktur erreicht werden.

Umgekehrt kann dann, wenn die Zugbeanspruchung der jeweiligen Nanostruktur einzig und allein durch die Relaxation verspannter Auslegerenden erfolgt, ein Passivierungsma terial verwendet werden, das keine Schrumpfeigenschaften besitzt.

Alternativ kann man mit einer schrumpfenden Passivierung eine Nanostruktur verspan nen, die sich beispielsweise auf nur aus einer einzigen Schicht ausgebildeten Auslegern, die vorher gar nicht verspannt sind, befindet.

Eine Biegung des wenigstens einen Auslegers und damit die Verspannung der wenigs tens einen Nanostruktur kann man dauerhaft aufrecht erhalten, wenn wenigstens ein in die wenigstens eine Kavität ragendes Auslegerende des jeweiligen Auslegers durch ein in die jeweilige Kavität eingebrachtes Füllmaterial fixiert ist.

Es ist auch möglich, die wenigstens eine Nanostruktur selbst mit dem Füllmaterial zu überdecken, um deren Spannungszustand zu erhalten. Das Füllmaterial ist vorzugsweise ein Material, das neben der Fixiereigenschaft auch noch andere Zwecke, wie eine Passivierung wenigstens eines Teils der nanoelektroni- schen Bauelementstruktur, erfüllt und/oder schrumpfbar ist.

Es kann somit bei der vorliegenden Erfindung zur Spannungseinstellung der jeweiligen Nanostruktur mittels Schrumpfung des Füllmaterials und/oder zur Fixierung wenigstens eines freigelegten Auslegers und/oder von Nanostrukturen und/oder zur Passivierung ein und dasselbe Füllmaterial eingesetzt werden.

Wenn an der wenigstens einen Nanostruktur jeweils wenigstens ein Massekörper ange ordnet ist, können Auslenkungen der wenigstens einen Nanostruktur verstärkt und/oder die Resonanzfrequenz der jeweiligen Nanostruktur eingestellt und somit eine frequenz abhängige Verstärkung und/oder Filterung von Signalen erreicht werden. Der Massekör per kann beispielsweise aus einem exponierten und/oder freigelegten Teil des jeweiligen Auslegers, auf dem die Nanostruktur aufliegt, ausgebildet sein. Beispielsweise kann der Teil des Auslegers durch Herauslösen des Opfermaterials aus der Kavität zur seismi schen Masse geworden sein, die von der Nanostruktur gehalten wird.

Mit oder auf Basis wenigstens einer erfindungsgemäßen nanoelektronischen Bauele mentstruktur lassen sich beispielsweise miniaturisierte sensortypische Kompensations schaltungen, wie Brücken- oder Halbbrückenschaltungen, ausbilden. So können solche Schaltungen innerhalb der Domänengröße der jeweils verwendeten Nanostruktur reali siert werden. Dies führt zu reproduzierbaren und homogenen Bauelementeigenschaften über viele parallel gefertigte Bauelemente. Durch die Brücken- oder Halbbrückenschal tung ist es möglich, selbstkalibrierende Bauteile mit höchstem Signal-zu-Rausch- Verhältnis und/oder integrierter Driftkorrektur auszubilden.

Die Aufgabe wird darüber hinaus erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Herstellen einer nanoelektronischen Bauelementstruktur gelöst, bei dem in ein Substrat wenigstens eine Kavität eingebracht wird und die jeweilige Kavität mit wenigstens einer Nanostruktur überbrückt wird, wobei die wenigstens eine Kavität wenigstens teilweise mit einem Op fermaterial gefüllt wird, auf der wenigstens teilweise mit dem Opfermaterial gefüllten Ka vität entweder wenigstens einseitig der jeweiligen Kavität wenigstens ein die wenigstens eine Kavität teilweise überlappender Ausleger mit einer über der wenigstens einen Kavi- tät ausgebildeten Lücke oder wenigstens ein die jeweilige Kavität überspannender Aus leger mit einer Sollbruchstelle über der wenigstens einen Kavität ausgebildet wird, die wenigstens eine Nanostruktur auf dem wenigstens einen Ausleger, die jeweilige Lücke oder Sollbruchstelle überspannend ausgebildet oder angeordnet wird, auf beidseitig der jeweiligen Kavität ausgebildeten Nanostrukturenden der jeweiligen Nanostruktur jeweils eine Kontaktelektrode ausgebildet wird, nachfolgend das Opfermaterial aus der jeweili gen Kavität zumindest teilweise herausgeätzt oder herausgelöst wird und, falls vorhan den, die Sollbruchstelle durchbrochen wird.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können nanoelektronischen Bauelementstruktu ren mit lokal kontrollierbaren bzw. lokal gezielt einstellbaren mechanischen Spannungs zuständen hergestellt werden. Es können insbesondere definierte Spannungszustände ortsindividuell und anpassbar in einzelnen oder Gruppen von 1 D- oder 2D-Nanostruk- turen eingebracht werden.

Dabei kann die Verspannung der wenigstens einen Nanostruktur im Sub-Mikrometer- Bereich eingestellt werden, was auch die Schaffung von Arrays mit variablen Einzelbau elementeigenschaften auf kleinstem Raum ermöglicht. Dies wird beispielsweise als Grundvoraussetzung für bildgebende breitbandige Sensoren für mechanischen Stress, atomare/chemische Spezies der Umgebung sowie für optische Strahlung angesehen.

Die Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens sind kompatibel zu beste henden monolithischen Integrationstechnologien. Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich somit ohne Weiteres in bestehende Fertigungsabläufe oder in eine Hetero-System integration integrieren. Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch mit Beyond-CMOS- und in System-on-Chip-Technologien kompatibel. Damit können neuartige hybride Bau teile mit verknüpfter Funktionalität aus Sensorik, Aktorik und Elektronik geschaffen wer den.

Für das erfindungsgemäße Verfahren sind keine hohen Temperaturen notwendig. Somit ist Prozesskompatibilität gegeben.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann durch selbstlimitierende Abscheidungen des zur Ausbildung der wenigstens einen Nanostruktur verwendeten Nanomaterials eine besonders hohe Reproduzierbarkeit der Bauelementfertigung erreicht werden. Es ist aber auch möglich, die wenigstens eine Nanostruktur unabhängig vom Ferti gungsprozess des Substrates zu erzeugen und schlussendlich auf dieses zu übertragen. Eine solche Vorgehensweise besitzt den Vorteil der Ausmerzung von Inkompatibilitäten in der Fertigungslinie, welche die Nutzung von klassischen Prozessen mit sich bringt. Mittels dieses Transferansatzes besteht zusätzlich die Möglichkeit, direkt während des Übertrags der wenigstens einen Nanostruktur auf das Substrat weitere mechanische Vorspannung in das Nanomaterial der jeweiligen Nanostruktur einzubringen.

Bei dieser Vorgehensweise wird die wenigstens eine vorzugsweise vorher geordnete und ausgerichtete Nanostruktur auf dem zuvor prozessierten Substrat positioniert. Es folgt die elektrische Kontaktierung der wenigstens einen Nanostruktur durch eine auf sie angepasste Lithografie-Technologie und die Freistellung des wenigstens einen Ausle gers mit der darauf befindlichen wenigstens einen Nanostruktur, wodurch sich eine vor definierte Verspannung in der wenigstens einen Nanostruktur einstellt.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt die Herstellung selbst-referenzierender bzw. selbst-kalibrierender Schaltungen mit nanoelektronischen Bauelementstrukturen, die in nerhalb einer Domäne des jeweiligen Nanomaterials geschaffen werden, welche auch die inhärente Drift in den Bauteileigenschaften kompensiert.

In bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird wenigstens einer der Ausleger aus wenigstens zwei Lagen aus solchen Materialien, unter Verwen dung solcher Prozessparameter und mit solchen Lagendicken ausgebildet, dass er direkt nach den Lagenabscheideschritten unter mechanischer Zugspannung steht, also eine residuelle Schichtspannung aufweist. In diesen Ausführungsformen ist der jeweilige Aus leger beispielsweise als verspannte Doppelschicht ausgebildet, die sich nach der zumin dest teilweisen Entfernung des Opfermaterials aus der Kavität entspannt.

Es kann jedoch auch in den jeweiligen Ausleger erst nach dessen Abscheidung eine Spannung eingebracht werden, beispielsweise indem Auslegerenden des jeweiligen Auslegers nach dessen Freilegung durch die Opfermaterialentfernung mittels Tempern geschrumpft werden. Erweiterte Funktionalität bietet die Anordnung wenigstens einer Steuerelektrode im Um feld der wenigstens einen Nanostruktur. Eine oder mehrere solche(r) Steuerelektrode(n) kann/können beispielsweise in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfah rens in wenigstens einer der wenigstens einen Kavität, bevor diese mit dem Opfermate rial zumindest teilweise gefüllt wird, angeordnet oder ausgebildet werden. Die jeweilige Steuerelektrode kann vorzugsweise am Boden der jeweiligen Kavität ausgebildet wer den. Da das in dem erfindungsgemäße Verfahren verwendete Herauslösen oder Herausätzen des Opfermaterials aus der wenigstens einen Kavität ein selbstjustierender Prozess ist, kann damit nicht nur entwurfsbestimmt die Vorspannung eingestellt werden, sondern dabei auch adäquate Bauteileigenschaften, wie den Abstand von der Steuer elektrode zu der wenigstens einen Nanostruktur und damit der Arbeitspunkt der ausge bildeten nanoelektronischen Bauelementstruktur, beeinflusst werden.

Ein unterschiedliche Nanostrukturen aufweisendes und damit unterschiedliche Mess oder Funktionsbereiche abdeckendes Array oder Modul kann mit Hilfe des erfindungs gemäßen Verfahrens ausgebildet werden, wenn bei diesem wenigstens zwei der Kavitä ten jeweils mit unterschiedlichen Breiten und/oder Tiefen und/oder Längen ausgebildet werden und/oder wenigstens zwei der Nanostrukturen in jeweils unterschiedliche Raum richtungen ausgerichtet ausgebildet werden und/oder in jeweils unterschiedliche Raum richtungen mechanisch gespannt werden. Mit dieser Technologie können in verschiede ne Raumrichtungen orientierte Nanostrukturen, also multidirektionale Nanostrukturen, parallel gefertigt werden. Durch die jeweiligen Geometrien und/oder Ausrichtungen der Nanostrukturen können diese genau skaliert werden.

Hierdurch ist es möglich, hinsichtlich ihrer Eigenschaften selektierte Nanostrukturen mit steuerbarer Anordnung in das Array oder das Modul zu integrieren.

Durch Nutzung von selbstanordnenden Effekten kann zudem eine parallele Ausrichtung der Nanostrukturen über das Substrat erreicht werden.

Nanoelektronische Bauelementstrukturen mit guter Reproduzierbarkeit können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden, wenn als Material(ien) für die Ausbil dung der wenigstens einen Nanostruktur Graphen und/oder wenigstens einer Kohlen- stoffnanoröhre verwendet wird. Der jeweilige Ausleger kann auch dadurch definiert verspannt werden, dass nach dem zumindest teilweisen Herausätzen oder Herauslösen des Opfermaterials aus der wenigs tens einen Kavität in die jeweilige Kavität wenigstens ein Füllmaterial eingebracht und dieses nachfolgend durch Tempern und/oder Aushärten geschrumpft wird.

Nach Relaxation der Auslegers durch das zumindest teilweise Entfernen des Opfermate rials aus der jeweiligen Kavität können in einer vorteilhaften Ausführungsform des erfin dungsgemäßen Verfahrens in die wenigstens eine Kavität ragende Auslegerenden durch Einbringen eines Füllmaterials in die jeweilige Kavität fixiert werden.

Dabei kann das Füllmaterial auch auf die wenigstens eine Nanostruktur aufgebracht werden, um deren Fixierung und somit ein Erhalten der darin eingebrachten Spannung zu erreichen.

Obwohl bei der vorliegenden Erfindung grundsätzlich unterschiedlichste Füllmaterialien zum Einsatz kommen können, hat es sich zum Erreichen guter Schrumpfungseigen schaften als vorteilhaft erwiesen, wenn das wenigstens eine Füllmaterial wenigstens ein Silsesquioxan, wie zum Beispiel Wasserstoffsilsesquioxan, und/oder wenigstens ein sich vernetzendes Polymer aufweist.

Eine besonders gute Auslenkbarkeit der wenigstens einen Nanostruktur kann erreicht werden, wenn in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens an der we nigstens einen Nanostruktur jeweils wenigstens ein Massekörper ausgebildet wird. Dabei kann der wenigstens eine Massekörper in der vorliegenden Erfindung beispielsweise als träge Masse für einen Inertialsensor und/oder mechanischen Resonator oder als Ele ment eines Plattenkondensators zur Realisierung einer MEMS/NEMS-Aktorik fungieren.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der we nigstens eine Massekörper aus dem wenigstens einen Ausleger während des zumindest teilweisen Herausätzens oder Herauslösens des Opfermaterials aus der wenigstens ei nen Kavität ausgebildet.

Die Verspannung der wenigstens einen Nanostruktur lässt sich besonders gut kontrollie ren, wenn die wenigstens eine Nanostruktur mittels eines gedehnten Transferträgers auf den wenigstens einen Ausleger aufgebracht wird. Mit dem gedehnten Transferträger lässt sich beispielsweise auf dem ganzen Substrat eine vorgespannte Nanomaterial- schicht aufbringen, aus der dann durch entsprechende geometrische Gestaltung der we nigstens einen darunter befindlichen Kavität und des wenigstens einen sich über die je weilige Kavität erstreckenden Auslegers wenigstens eine Nanostruktur mit einer kontrol lierten Spannung und Spannungsrichtung im Sub-Mikrometerbereich ausgebildet werden kann.

Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, deren Aufbau, Funktion und Vorteile werden im Folgenden anhand von Figuren näher erläutert, wobei

Figur 1 schematisch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen na- noelektronischen Bauelementstruktur in einer geschnittenen Sei tenansicht zeigt;

Figur 2 schematisch eine weitere Ausführungsform einer erfindungsge mäßen nanoelektronischen Bauelementstruktur in einer geschnit tenen Seitenansicht zeigt;

Figur 3 schematisch noch eine weitere Ausführungsform einer erfindungs gemäßen nanoelektronischen Bauelementstruktur in einer ge schnittenen Seitenansicht zeigt; die Figuren 4 bis 12 schematisch Verfahrensschritte einer Ausführungsform des erfin dungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung der nanoelektroni schen Bauelementstruktur aus Figur 1 jeweils in einer geschnit tenen Seitenansicht durch die jeweils ausgebildete Struktur zei gen;

Figur 13 die nanoelektronische Bauelementstruktur aus Figur 12 mit ein- und aufgebrachtem Füllmaterial zeigt; die Figuren 14 bis 17 schematisch Verfahrensschritte einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer nano elektronischen Bauelementstruktur jeweils in einer geschnittenen Seitenansicht durch die jeweils ausgebildete Struktur zeigen; Figur 18 schematisch die Einsteilbarkeit der Verspannung sowie der elekt rostatischen Kopplung zur jeweiligen Steuerelektrode an erfin dungsgemäßen nanoelektronischen Bauelementstrukturen de monstriert;

Figur 19 schematisch eine erfindungsgemäße nanoelektronische Bauele mentstruktur in Form eines CNT-FET-Arrays mit individueller Ver spannung der jeweiligen Nanostrukturen zeigt;

Figur 20 schematisch eine weitere erfindungsgemäße nanoelektronische

Bauelementstruktur mit einer heterogen verzerrten Graphen- Schicht zeigt;

Figur 21 schematisch noch eine weitere erfindungsgemäße nanoelektroni sche Bauelementstruktur in Form eines Arrays mit variablen Spannungszuständen innerhalb einer Nanomaterialdomäne zeigt, und

Figur 22 schematisch eine erfindungsgemäße nanoelektronische Bauele mentstruktur in Form einer innerhalb einer Nanomaterialdomäne ausgebildeten Sensorhalbbrücke zeigt.

Die Figuren 1 bis 3 zeigen schematisch mögliche Ausführungsformen von erfindungsge mäßen nanoelektronischen Bauelementstrukturen 1a, 1b, 1c jeweils in einer geschnitte nen Seitenansicht.

Die nanoelektronische Bauelementstruktur 1a kann als eine Art „Kernzelle“ eines mit der vorliegenden Erfindung ausbildbaren vorgespannten Nanomaterialsystems angesehen werden und eignet sich daher gut zur Demonstration der Erfindung. Die nanoelektroni sche Bauelementstruktur 1a weist ein Substrat 2, eine darin ausgebildete Kavität 3, eine an einem Boden 31 der Kavität 3 ausgebildete Steuerelektrode 4, jeweils teilweise die Kavität 3 überlappende Ausleger 5, eine auf beiden freien Auslegerenden 51, 52 der Ausleger 5 aufliegende und beidseitig von einer Kontaktelektrode 71, 72 überdeckte Na- nostruktur 6 auf. Dadurch, dass die beiden Ausleger 5 in die Kavität 3 hineinhängen, ist die auf den Auslegerenden 51, 52 liegende Nanostruktur 6 gespannt, wie es durch den Pfeil schematisch gezeigt ist.

Die Nanostruktur 6 kann aus einem sich wenige hundert Nanometer bis mehrere Mikro meter erstreckenden 1 D- oder 2D-Nanomaterial bestehen. Die Nanostruktur 6 weist ge zielt eingestellte Grundeigenschaften, wie Chiralität, Durchmesser und/oder MW/SW, auf. Wie es im Folgenden noch näher erläutert wird, wurde die Verspannung der Nano struktur 6 durch Einsatz herkömmlicher oberflächentechnologischer Prozessschritte er zeugt. In der gezeigten Ausführungsform wurde in die Nanostruktur 6 entlang einer räumlichen Achse kontrolliert eine Zugspannung eingebracht.

Die nanoelektronische Bauelementstruktur 1b aus Figur 2 weist ein Substrat 2 auf, in das zwei unterschiedliche Nanomaterialstrukturen eingebracht sind. Eine erste dieser Nano- materialstrukturen weist wie die nanoelektronische Bauelementstruktur 1a eine in dem Substrat 2 ausgebildete Kavität 3, eine an einem Boden 31 der Kavität 3 ausgebildete Steuerelektrode 4, jeweils teilweise die Kavität 3 überlappende Ausleger 5 und eine auf beiden freien Auslegerenden 51, 52 der Ausleger 5 aufliegende und beidseitig von einer Kontaktelektrode 71, 72 überdeckte Nanostruktur 6 auf. Eine zweite der Nanomaterial strukturen ist ohne Kavität, d.h. an der Substratoberfläche, ausgebildet und weist eine Steuerelektrode 4 auf, über der einer der Ausleger 5 verläuft und der gegenüber eine weitere Nanostruktur 6b angeordnet ist, die beidseitig von Kontaktelektroden 71, 72 kon taktiert ist.

Bei dieser Anordnung befinden sich auf dem gleichen Substrat 2 die verspannte Nano struktur 6 und die als interne Referenz für die Nanostruktur 6 dienende unverspannte Nanostruktur 6b.

Die nanoelektronische Bauelementstruktur 1c aus Figur 3 weist ein Substrat 2 auf, in das ebenfalls zwei unterschiedliche Nanomaterialstrukturen eingebracht sind. Beide dieser Nanomaterialstrukturen weisen wie die nanoelektronische Bauelementstruktur 1a aus Figur 1 eine in dem Substrat 2 ausgebildete Kavität 3, 3a eine an einem Boden 31, 31a der jeweiligen Kavität 3, 3a ausgebildete Steuerelektrode 4, 4a, jeweils teilweise die je weilige Kavität 3, 3a überlappende Ausleger 5 und jeweils eine auf den jeweiligen freien Auslegerenden 51, 52; 51a, 52a der Ausleger 5 aufliegende und jeweils beidseitig von einer Kontaktelektrode 71, 72 überdeckte Nanostruktur 6, 6a auf. Allerdings sind die Geometrien der Kavitäten 3, 3a und damit auch die Wölbungen der Auslegerenden 51, 52; 51a, 52a in die jeweilige Kavität 3, 3a hinein und damit auch die Verspannungen e ₂ der beiden Nanostrukturen 6, 6a unterschiedlich.

Wie es schematisch durch die Strichellinien in den Figuren 2 und 3 angedeutet ist, sind die jeweiligen Nanostrukturen 6, 6b bzw. 6, 6a jeweils aus ein und demselben Nanoma- terial ausgebildet. Mit der in Figur 3 schematisch dargestellten nanoelektronischen Bau elementstruktur 1c ist somit eine lokale Kontrolle von verschiedenen Spannungszustän den innerhalb von Domänengrenzen des jeweils für die Nanostrukturen 6, 6a verwende ten 1 D- oder 2D-Nanomaterials möglich.

Die Figuren 4 bis 12 zeigen schematisch Verfahrensschritte einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung der nanoelektronischen Bauelement struktur 1a aus Figur 1.

Wie in Figur 4 zu sehen, wird zunächst ein Substrat 2 bereitgestellt.

In dem in Figur 5 dargestellten Verfahrensschritt wird auf dem Substrat 2 eine Steuer elektrode 4 erzeugt.

Daraufhin wird, wie in Figur 6 gezeigt, eine Spacerschicht 2‘ abgeschieden, die zwar nicht aus dem gleichen Material wie das Substrat 2 bestehen muss, aber in der vorlie genden Erfindung funktionell dem Substrat 2 zugeordnet wird.

In dem in Figur 7 dargestellten Verfahrensschritt wird in der Spacerschicht 2‘ eine Kavität 3 ausgebildet. An einem Boden 31 der Kavität 3 befindet sich die Steuerelektrode 4.

Die Kavität 3 wird nachfolgend, wie in Figur 8 gezeigt, mit einem Opfermaterial 8 gefüllt. Das Opfermaterial 8 kann organischen oder anorganischen Ursprungs sein. Vorzugs weise wird das Opfermaterial 8 in Abhängigkeit von der Wahl des Materials und des Ver spannungsgrades der im anschließenden Verfahrensschritt erzeugten Ausleger 5 sowie der Kompatibilität zum gesamten Herstellungsprozess ausgewählt.

Danach werden, wie in Figur 9 zu sehen, auf der Spacerschicht 2‘ und dem Opfermateri al 8 beidseitig und oberhalb der Kavität 3 Ausleger 5 abgeschieden, wobei zwischen Auslegerenden 51, 52 der Ausleger 5, oberhalb der Kavität 3 eine Lücke 50 besteht. In anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann auch ein einziger Ausle ger 5 sich über die Kavität 3 erstreckend ausgebildet sein und anstelle der Lücke 50 eine Sollbruchstelle über der Kavität 3 in diesem Ausleger 5 ausgebildet sein.

Die Ausleger 5 können entweder durch Stapelung von mindestens zwei dünnen Schich ten unterschiedlichen Materials erzeugt oder durch eine einzelne dünne Schicht mit einer prozessinduzierten Verspannung innerhalb der Schicht während deren Schichtabschei dung erzeugt werden. Dadurch ist die intrinsische Verspannung des so erzeugten Ausle gers 5 exakt einstellbar und vorerst fixiert, da sie an dem darunter liegenden Opfermate rial 8 anhaftet.

Nachfolgend wird, wie in Figur 10 zu sehen, eine Nanostruktur 6 auf die als Träger die nenden Ausleger 5 aufgebracht. Für das Aufbringen der jeweiligen Nanostruktur 6 kön nen vielfältige Verfahren zum Einsatz kommen. So können selektierte und funktionali- sierte Nanomaterialien, wie z. B. Kohlenstoffnanoröhren (CNT), in dispergierter Form mittels Selbstanordnung, Drucken, Dielektrophorese oder Thermophorese etc. als Nano struktur 6 aufgebracht werden.

Alternativ können Transferprozesse zum Aufbringen der Nanostruktur 6 zum Einsatz kommen, die erweiterte Kontrollmöglichkeiten hinsichtlich der Verspannung der Nano struktur 6 bieten. Hierfür bedient man sich z. B. CVD-Prozessen (Chemischen Dampf- phasenabscheidungs-Prozessen) zur Synthese von beispielsweise CNT, Graphen, MoS ₂ oder WS oder auch ALD-Prozessen (Atomlagenabscheidungs-Prozessen) für MoS ₂ auf einem Guellsubstrat. Eine polymerbasierte Transfermethode auf Basis von Haftvermitt lern und temporären Transferträgern, wie z. B. einer Folie, überträgt die Nanostruktur 6 auf das beispielsweise wie oben vorprozessierte Substrat 2.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Transferprozess der Nanostruktur 6 auf einem kontrolliert gedehnten Transferträger vor genommen werden. Mit dieser Vorgehensweise kann eine flächendeckende Grundver spannung der Nanostrukturen der jeweiligen nanoelektronischen Bauelementstruktur erzielt werden, die zur Homogenisierung, Ausrichtung und Glättung der jeweiligen Nano strukturen führt. In einem nächsten, in Figur 11 gezeigten Verfahrensschritt, wird auf beide Nanostruktur- enden 61 , 62 der Nanostruktur 6 jeweils eine Kontaktelektrode 71 , 72 abgeschieden. Im Ergebnis entsteht das in Figur 11 schematisch gezeigte erfindungsgemäße Zwischen produkt 1a‘.

Danach erfolgt, wie in Figur 12 schematisch dargestellt, ein Entfernen des Opfermateri als 8 aus der Kavität 3. Das Entfernen des Opfermaterials 8 kann durch ein geeignetes selektiv-subtraktives Verfahren einer Oberflächentechnologie, wie durch ein Herauslösen oder Herausätzen, erfolgen. Das Opfermaterial 8 kann chemisch und/oder thermisch und/oder mittels Auflösen in Wasser oder einem anderen Lösemittel und/oder durch Ult raschall entfernt werden.

Wie es in Figur 12 schematisch gezeigt ist, kommt es durch das Entfernen des Opferma terials 8 gleichzeitig zu einer Relaxation der darüber liegenden vorgespannten Ausleger 5. In Abhängigkeit der gewählten Materialien und Depositionscharakteristika erfolgt eine Biegung der Ausleger 5 in die Ebene hinein oder aus der Ebene heraus.

Die gezielt auf zwei gegenüberliegenden Auslegern 5 positionierte und an ihren Nano- strukturenden 61, 62 fixierte Nanostruktur 6 erfährt im Moment der Relaxation der Ausle ger 5 in dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine Zugkraft, da sich die Fixpunkte der Na nostruktur 6 auf den Auslegerenden 51, 52 voneinander wegbewegen. Im gleichen Mo ment erfolgt die Freistellung der Nanostruktur 6.

Durch das Herauslösen des Opfermaterials 8 verändert sich auch die Lücke 50 zwischen den Auslegerenden 51 , 52. Die Nanostruktur 6 spannt sich über dieser Lücke 50 auf und bildet im Bereich zwischen den Fixpunkten eine freigestellte, ortsindividuell verspannte ein- oder zweidimensionale Struktur aus Nanomaterial. Im Ergebnis des Entfernens des Opfermaterials 8 entsteht somit die gezeigte nanoelektronische Bauelementstruktur 1a.

Die Größe der erzeugten Zugkraft, und damit die Verspannung der Nanostruktur 6, wird definiert durch eine gezielt erzeugte geometrische Gestaltung der Ausleger 5. Die nach Entfernung des Opfermaterials 8 entstandene Überhanglänge, -breite und -höhe der Auslegerenden 51 , 52, die gezielt eingebrachte intrinsische Verspannung und die ge wählten Materialien für die Ausleger 5 sind die maßgebenden Parameter zur Erzeugung eines gewünschten Biegeradius bzw. einer bestimmten Spannung in der Nanostruktur 6. Biegeradius und Überhanghöhe sind die bestimmenden Faktoren zur Festlegung der maximalen Auslenkung der Auslegerenden 51, 52 und dienen hiernach zur genaueren Limitierung und Festlegung der Längenänderung der Nanostruktur 6. Weiterhin stellt die Position der Fixierung der Nanostruktur 6 auf dem jeweiligen Ausleger 5 einen wichtigen Faktor dar. Die Genauigkeit, Auflösung und Reproduzierbarkeit ist hierbei limitiert durch das angewendete Strukturierungsverfahren. Typischerweise kommt Elektronenstrahlli thografie zur Anwendung, schließt jedoch die Nutzung alternativer Mikro- und Nanostruk- turierungsverfahren nicht aus. Diese vorher genannte Fixierung wird in der gezeigten Ausführungsform mittels der Kontaktelektroden 71, 72 realisiert, die gleichzeitig der elektrischen Kontaktierung der Nanostruktur 6 dienen.

Die oben beschriebene Oberflächentechnologie ist nicht begrenzt auf ein bestimmtes Substrat 2 und kann auch in eine Hetero-Systemintegrationstechnologie für beispiels weise System-on-Chip oder Post-Back-end-of-line integriert sein.

Die Einstellung des Verspannungszustands der Ausleger 5 und/oder der Nanostruktur 6 kann durch in der Mikro- und Nanotechnologie etablierte, additive Beschichtungsverfah ren erfolgen. Durch Anwendung von Strukturierungsverfahren, wie optischer Lithografie, ist dieser nachträgliche Anpassungsschritt ortsindividuell oder global über das Substrat 2 möglich.

In der gezeigten Ausführungsform berührt die im gestressten Zustand befindliche Nano struktur 6 nicht den Boden 31 der Kavität 3 und hängt damit frei.

In anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können die jeweils verwen deten Ausleger 5 aus mindestens zwei Schichten bestehen und derart intrinsisch ver spannt sein, dass es bei Freilegung zu einer Verbiegung in Richtung des Substrates 2 mit Anschlag führt und bei vergleichsweise hoher Zugkraft der Ausleger 5 die Längenän derung der Nanostruktur 6 durch Tiefe d und Breite w der Kavität 3 bestimmt wird, was auch in Figur 18 zu sehen ist.

Figur 13 zeigt schematisch die nanoelektronische Bauelementstruktur 1a aus Figur 1 bzw. 12, wobei die Kavität 3 als auch der Bereich über der gespannten Nanostruktur 6 mit einem Füllmaterial 9 verfüllt sind. Mit dem Füllmaterial 9 werden die Auslegerenden 51, 52 in ihrer gebogenen Stellung in der Kavität 3 fixiert und die Vorspannung der Na- nostruktur 6 „eingefroren“.

Wie es aus den beispielhaft gezeigten nanoelektronischen Bauelementstrukturen 1a, 1b 1c hervorgeht, ist es mit der vorliegenden Erfindung möglich, freigestellte, lokal individu ell verspannte 1 D- oder 2D-Nanomaterialstrukturen durch Kombination von Schichten oder Schichtstapeln mit intrinsischen Schichtspannungen, Opferstrukturen und kontrol liert angeordneten 1D- oder 2D-Nanostrukturen 6, 6a, 6b zu erzeugen.

Die Figuren 14 bis 17 zeigen schematisch Verfahrensschritte einer weiteren Ausfüh rungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer nanoelektronischen Bauelementstruktur jeweils in einer geschnittenen Seitenansicht durch die jeweils aus gebildete Struktur.

Figur 14 entspricht dem Verfahrensstand aus Figur 11. Die nachfolgend beschriebene weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens beginnt also mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Zwischenproduktes 1a‘. Die Verfahrensschrit te zur Herstellung des Zwischenproduktes 1a‘ entsprechen den oben im Hinblick auf die Figuren 4 bis 11 beschriebenen Verfahrensschritten.

In dem in Figur 15 gezeigten Verfahrensschritt wird das Opfermaterial 8 aus der Kavität 3 herausgelöst oder herausgeätzt.

Dann wird in dem in Figur 16 gezeigten Verfahrensschritt ein Füllmaterial 90 in die Kavi tät 3 eingebracht, wobei die Auslegerenden 51 , 52 der Ausleger 5 an dem Füllmaterial 90 haften.

In dem Verfahrensschritt von Figur 17 wird die Struktur aus Figur 6 einer erhöhten Tem peratur ausgesetzt, bei welcher das Füllmaterial 90 schrumpft. Infolge der Schrumpfung des Füllmaterials 90 in der Kavität 3 biegen sich die Auslegerenden 51 , 52 in die Kavität 3 hinein. Die Nanostruktur 6 wird dadurch auf Zug gespannt.

Figur 18 demonstriert schematisch die Einsteilbarkeit der Verspannung sowie der elekt rostatischen Kopplung zur jeweiligen Steuerelektrode 4 an erfindungsgemäßen nano elektronischen Bauelementstrukturen 1a, 1 d, 1 e, 1f. Dabei vergrößert sich in der Pfeil- richtung d die Tiefe der jeweiligen Kavität, während sich in Pfeilrichtung w die Breite der jeweiligen Kavität erhöht. Das heißt, die Kavität 3d ist tiefer als die Kavität 3, die Kavität 3e ist tiefer als die Kavität 3f, die Kavität 3e ist breiter als die Kavität 3d und die Kavität 3f ist breiter als die Kavität 3. Hinsichtlich der weiteren Merkmale der nanoelektronischen Bauelementstrukturen 1a, 1 d, 1 e, 1f sei auf die obige Beschreibung der nanoelektroni schen Bauelementstruktur 1a verwiesen, die auch für die nanoelektronischen Bauele mentstrukturen 1 d, 1 e, 1f gilt.

Wie es an den Abbildungen der Figur 18 erkennbar ist, führt eine breite Kavität mit ge ringer Tiefe d zu einer verstärkten Verbiegung der jeweiligen Auslegerenden 51, 52 in die jeweilige Kavität hinein. Die Verbiegung der Auslegerenden 51, 52 kann dabei, wie es anhand der nanoelektronischen Bauelementstruktur 1f zu sehen ist, so stark sein, dass diese auf der Steuerelektrode 4 aufliegen, was die Verbiegung und damit die Ver spannung der Nanostruktur 6 limitiert.

Figur 19 zeigt schematisch eine in ein einziges Substrat 2 mit einer einzigen Kavität 3 und einer einzigen am Boden der Kavität 3 ausgebildeten Steuerelektrode 4 integrierte erfindungsgemäße nanoelektronische Bauelementstruktur 1g mit einer Mehrzahl von die Kavität 3 überspannenden Nanostrukturen 6. Die nanoelektronische Bauelementstruktur 1g bildet ein CNT-FET-Array mit individueller Verspannung der jeweiligen Nanostruktu ren 6. Die jeweils unterschiedliche Verspannung der Nanostrukturen 6 wird hier durch durch die unterschiedlichen Geometrien der Ausleger 5, der Nanostrukturen 6 und der Kontaktelektroden 71 , 72 erzielt. Wie es in Figur 19 anhand des Doppelpfeils schema tisch gezeigt ist, kann somit die Verspannung in einem Bereich von einer geringen Ver spannung (low strain) bis zu einer hohen Verspannung (high strain) der jeweiligen Nano struktur 6 individuell eingestellt werden.

In anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann ein ähnliches Array wie in Figur 19 auch mit sich ändernder Geometrie der Kavität 3, wie z. B. sich allmählich verändernder Kavitätentiefe und/oder -breite, ausgebildet werden.

Ferner ist es möglich, an dem Kavitätboden oder über der jeweiligen Passivierung meh rere Steuerelektroden 4 vorzusehen. Die jeweilige Steuerelektrode(n) 4 dient der elekt rostatischen Steuerung der jeweiligen Nanostruktur(en) 6 und/oder dem Einstellen we nigstens eines Arbeitspunktes. Figur 20 zeigt schematisch eine weitere erfindungsgemäße nanoelektronische Bauele mentstruktur 1h mit einer heterogen verzerrten Graphen-Schicht 60. Die Graphen- Schicht 60 weist eine kontinuierliche Gitterstruktur auf.

Figur 21 zeigt schematisch noch eine weitere erfindungsgemäße nanoelektronische Bauelementstruktur 1i in Form eines Arrays mit variablen Spannungszuständen in einem identischen Nanomaterial innerhalb einer Nanomaterialdomäne. In der gezeigten Aus führungsform sind die jeweiligen, die Kavitäten 3 überspannenden Nanostrukturen als entlang einer räumliche Achse aneinandergereihte, unterschiedlich verspannte Segmen te ein und derselben 1 D- oder 2D-Nanomaterialstruktur mit gezielt eingestellten Grund eigenschaften, wie Chiralität, Durchmesser und/oder MW/SW, ausgebildet. Die Geometrien der jeweils unter den Nanostrukturen befindlichen Kavitäten 3 sind unter schiedlich. Die einzelnen Segmente können durch je Segment frei einstellbaren Deh nungsgrad individuell in ihren Eigenschaften, wie z. B. hinsichtlich ihrer Bandlücke oder Schwingungsfrequenz, moduliert werden. Somit entsteht eine materialvarianzunabhän gige, eindimensionale Aufreihung von unterschiedlichen Basiselementen der nanoelekt- ronischen Bauelementstruktur 1 i, die als geschlossene Einheit gesehen einer neuen Klasse von segmentspezifisch konfigurierbaren, multifunktionalen nanoelektronischen Bauelementstrukturen auf Bais von 1D- oder 2D-Nanomaterialsystemen angehört.

Durch die unterschiedlichen Verspannungen der Nanostrukturen 6 weisen diese eine gezielte Modifikation der Bandstruktur, wie z. B. der Bandlücke, auf. Diese kann so ge staltet sein, dass damit eine Modifikation der elektronischen Interaktion zwischen Adsorbanten oder Chemisorbanten und dem Nanomaterial der Nanostrukturen 6 einher geht.

Die nanoelektronische Bauelementstruktur 1i kann daher beispielsweise als Biosensor genutzt werden, welcher aufgrund der Spezifika der verschiedenen Spannungszustände auf eine zu detektierenden Stoff diesen mittels Deep-Learning-Ansätzen identifizieren kann. Die nanoelektronische Bauelementstruktur 1i kann auch zur spezifischen Detekti on von chemischen oder Gassubstanzen eingesetzt werden. Dabei kann der jeweilige, auf Basis der vorliegenden Erfindung ausgebildete miniaturi sierte biologische und/oder chemische Sensor und/oder Gassensor Empfindlichkeiten im Atommassenbereich aufweisen sowie massenspektral fungieren.

Als Messsignal der nanoelektronischen Bauelementstruktur 1i kann die Resonanzfre quenz der aufgespannten und verspannten Nanostrukturen 6 kapazitiv zwischen der je weiligen Nanostruktur 6 und der Steuerelektrode 4 ausgelesen werden. Die Resonanz frequenz lässt sich durch Modifikation der eingebrachten mechanischen Spannung kon trollieren und deswegen kann die Selektivität hinsichtlich Wechselwirkung mit einem be stimmten Stoff erzielt werden.

Der Messmechanismus kann beispielsweise auf einer Masseänderung wenigstens einer jeweils schwingenden Nanostruktur 6 der nanoelektronischen Bauelementstruktur 1i ba sieren, die sich dadurch ergibt, dass sich an der Nanostruktur 6 Atome oder Moleküle eines Stoffes anlagern.

Ferner können durch die unterschiedlich verspannten Nanostrukturen 6 bestimmte Spe zies selektiv chemisorbiert werden.

In bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können in oder an der wenigstens einen Nanostruktur 6 kleine Massekörper, vor oder nach deren Verspan nung, vorgesehen werden. Dadurch können breitbandige Inertialsensoren mit einer Schwingungsdetektion oberhalb von 100 kHz sowie 3D-Beschleunigungen erzeugt wer den.

Figur 22 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße nanoelektronische Bauelementstruk tur 1j in Form einer innerhalb einer Nanomaterialdomäne eines identischen Nanomateri- als ausgebildeten Sensorhalbbrücke. Die Sensorhalbbrücke weist beispielsweise auf grund zu detektierender Umwelteinflüsse, wie mechanischer und/oder optischer und/oder chemischer Umwelteinflüsse, veränderliche Diagonalelemente I und III und ein stellbare Kompensationselemente II und IV auf. Die Halbbrückenschaltung ist monoli thisch in ein und demselben Material, d. h. innerhalb einer Domäne, gefertigt und stellt somit eine höchst empfindliche, driftfreie Messschaltung dar. Die als Sensorelemente fungierenden Diagonalelemente I und III können bedingt durch die verwendete erfin dungsgemäße Technologie für deren Verspannung eine Piezoresistivität mit einem ho- hen Gauge-Faktor (z. B. von 400) aufweisen, während die beiden Kompensationsele mente II und IV durch layoutbestimmtes Auslassen der Verspannstruktur unverspannt bleiben.

Die gezeigte Halbbrücke kann in stark miniaturisierter Form, beispielsweise auf einer Fläche < 10 pm ² , einschließlich der Halbbrückenverdrahtung Platz finden.

Mit derartigen nanoelektronischen Bauelementstrukturen können sowohl kleinste Stau chungen als auch Dehnungen piezoresistiv erfasst werden. Zudem können auf dieser Grundlage atomlagendünne 1 D- oder 2D-Nanomaterial-basierte piezoresistive Sensoren in Vollbrückenkonfiguration realisiert werden.