Flüssige Drähte in drei Dimensionen

Über Elektrodeposition lassen sich um ein Vielfaches kleinere Kontakte auf Computerplatinen knüpfen.

Jeder noch so kleine Computerchip muss auf einer Platine angeschlossen werden. Die einzelnen Kontakte messen dabei zwischen 20 und 100 Mikrometer. Sehr viel kleiner können diese elektrischen Verbindungen mit "flüssigen Drähten" geknüpft werden, für deren Fertigung nun amerikanische Wissenschaftler ein neues Verfahren entwickelt haben.

Abb.: Min-Feng Yu entwickelten mit seinen Kollegen eine Art "Flüssigdraht", der mit Durchmessern von etwa einem Mikrometer viel kleinere elektrische Kontakte auf Computerplatinen erlaubt. Sogar dreidimensionale Metallstrukturen lassen sich mit der Methode fertigen. (Bild: L. Brian Stauffer, University of Illinois)

"Für integrierte Schaltkreise braucht man viele Anschlüsse. Das ist sehr zeitintensiv und steigert die Kosten", sagt Min-Feng Yu vom Department of Mechnical Science and Engineering der University of Illinois in Urbana-Champaign. Daher will Yu mit seinen Kollegen die bis zu einen Zehntel Millimeter dicken Drähte auf den Platinen durch sehr viel feinere Kontakte ersetzen. Um dieses Ziel zu erreichen füllten die Materialforscher eine Mikropipette mit einem flüssigen Elektrolyten, beispielsweise aus einer Kupfersulfatlösung. Floss diese "metallische Tinte" aus der nur drei millionstel Meter kleinen Pipettenspitze, ließen sie ein elektrisches Spannungsfeld wirken. Bei Strömen von einigen Nanoampere bei 0,2 Volt Spannung lagerten sich Metallionen aus der Lösung über den Effekt der Elektrodeposition zu festen Strukturen zusammen. Es entstanden filigrane Drähte mit Durchmessern zwischen einem und drei Mikrometern.

Testmessungen belegten, dass elektrische Kontakte aus diesen Mikrodrähten erst bei Strömen über 1011 Ampere/Meter überlastet waren und sich damit sogar stabiler zeigten als gelötete Verbindungen. Allerdings waren zahlreiche Versuche notwendig, um die optimale "Schreibgeschwindigkeit" für diese Drähte zu ermitteln, bei der der Kontakt zwischen Flüssigkeit und starrem Draht nicht abbrach. Über Piezo-Manipulatoren gesteuert konnten die Forscher 0,3 bis 0,7 Mikrometer Draht pro Sekunde mit Durchmessern um einen Mikrometer erzeugen.

"Mit dieser Pipette können wir sogar im dreidimensionalen Raum schreiben", sagt Yu. Daher müssen die elektrischen Kontakte nicht mehr in einer flachen Ebene liegen, sondern können aus allen Richtungen an einen Prozessor angefügt werden. Mit weniger Material lassen sich so alle Module auf einer Computerplatine auf engerem Raum miteinander verbinden.

Um für die Chipindustrie interessant zu werden, arbeiten die Forscher daran, bis zu 100 flüssige Drähte simultan aus 100 Mikropipetten wachsen zu lassen. Neben Kupfer und Platin experimentieren sie derzeit mit weiteren Metallen. Nicht nur die Halbleiterbranche, auch andere Anwender, die winzige dreidimensionale Metallstrukturen benötigen, haben Jie Yu und Ming-Feng Yu im Blick. So könnte ihre mit "metallischer Tinte" gefüllten Mikropipetten für den Aufbau von Mikrostrukturen genutzt werden, die derzeit noch aufwendig mit lithografischen Verfahren produziert werden.

Jan Oliver Löfken

Weiterführende Literatur:

• T. Morita et al.: Free-space-wiring fabrication in nano-space by focused-ion-beam chemical vapor deposition. J. Vac. Sci. Technol. B 21, 2737 (2003)
  dx.doi.org/10.1116/1.1630329
• B. Y. Ahn et al.: Science 323, 1590 (2009)
  dx.doi.org/10.1126/science.1168375
• Q. Huang, C. M. Lilley, R. Divan: An in situ investigation of electromigration in Cu nanowires.
Nanotechnology 20, 075706 (2009)
dx.doi.org/10.1088/0957-4484/20/7/075706

AL