Filigrane Nanostrukturen durch kontrollierte Brüche
In hauchdünnen Siliziumnitrid-Schichten lassen sich gezielt Nanometer feine Risse erzeugen – eine Alternative zu Lithografie-Verfahren.
Heute werden Nanometer feine Strukturen in Halbleitern vor allem durch lithografische Verfahren erzeugt. Schneller und günstiger könnte dies in Zukunft mit kontrollierten Brüchen in den kristallinen Schichten geschehen. Die Grundlage dazu legten nun südkoreanische Forscher, die in hauchdünnen Siliziumnitrid-Schichten gezielt Risse entlang von Geraden, Schlangenlinien und sogar um die Ecke und in Stufen initiierten. Da sich solche Risse binnen weniger Minuten erzeugen lassen, könnte diese Bruchtechnologie zu einem schnellen und kostengünstigen Verfahren bei der Produktion von Computerchips, Lab-on-Chip-Systemen und optischen Elementen führen.
Abb.: Kontrollierte Brüche unter dem Mikroskop: Zwischen den Kerben (dunkle Linien und Punkte) in der Silizium-Unterlage breiten sich die filigranen Brüche (feine Linien) in der Siliziumnitrid-Schicht aus. (Bild: K. H. Nam)
Bisher waren Brüche und Risse in kristallinen Schichten eher störend und führten wegen ihre unkontrollierten Entstehens zu teurem Ausschuss in der Chipproduktion. Aber Koo Hyun Nam und ihre Kollegen von der Ewha Womans University in Seoul schafften es nun, mit der richtigen Wahl der Unterlage die Ausbreitung von Rissen exakt zu kontrollieren. Dieses Ziel erreichten sie mit Siliziumnitrid-Schichten, die sie aus der Dampfphase auf eine Unterlage aus Silizium deponierten. In das Silizium-Substrat ätzten sie zuvor winzige, Mikrometer feine Auskerbungen, an denen das aufgedampfte Material größeren Spannungen ausgesetzt war als in den unveränderten Substratbereichen.
Über die Anordnung der Kerben ließ sich nun die Ausbreitung von Rissen in der darüber liegenden kristallinen Schicht exakt steuern. Von den einige zehn Nanometer feinen Enden der Kerben breiteten sich filigrane Kanäle mit Breiten von nur zehn Nanometern aus. Ergänzt mit einer weiteren Zwischenschicht aus Siliziumdioxid gelang die Bruchkontrolle so gut, dass sogar Risse in Wellenlinien, um Ecken und in Stufen möglich wurden. So ließ sich auch die unkontrollierte Ausbreitung der Brüche an zuvor festgelegten Punkten stoppen.
Werden in der Chipindustrie bisher aufwendige lithografische Verfahren für die Bildung von Nanostrukturen genutzt, könnten diese mit einer ausgefeilten Bruchtechnologie schneller, günstiger und auch auf größeren Flächen hergestellt werden. Allerdings funktioniert die Methode bisher nur für Siliziumnitrid und müsste vor einer industriellen Anwendung noch auf weitere Materialien ausgeweitet werden.
Jan Oliver Löfken
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