Technologien zur Nano-Bauelemente-Fertigung

  • 25. January 2017

Review Artikel beschreibt Geschichte, Grundlagen und Potential.

Nano-Bauelemente finden immer mehr Einzug in verschiedenste Disziplinen, wie z. B. die Elektronik, Optik, Fluidik, Chemie, Biologie oder Medizin. Typischer Weise verbindet man mit ihnen Prozessoren oder Speicher­­bausteine, die mittlerweile in so gut wie jedem auf Minia­turisierung wertlegenden Geräte­bau zur Anwendung kommen können.

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Abb.: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Wellenleiters. Die Strukturen wurden mittels Focused Ion Beam (FIB) Technologie in einen Silizium­wafer geätzt. (Bild: L.-M. Peng, Peking University, und Raith GmbH)

Im Zuge der Entwicklung ist die Proto­typen­fertigung dieser Bau­elemente ein wichtiger Schritt vor der Einführung in die Serien- bzw. Massen­fertigung. Von der Idee bis zur Realisierung eines Proto­typen sind ganz andere Anforderungen zu erfüllen als bei der späteren Produktion. So werden dann bei der Prototypen­fertigung ganz spezielle Fabrikations­techniken eingesetzt, die diese Anforderungen im besonderen Maße erfüllen. In der halbleiter­basierten Bauelemente­proto­typen­entwicklung wird beispielsweise häufig die Elektronen­strahl­lithographie („Gaussian vector scan electron beam lithography“, „EBL“) eingesetzt, um im Elektronen­strahl­lack die gewünschten Strukturen zu belichten.

Wissenschaftler um Dr. Lars Bruchhaus stellen in einem jüngst vom American Institute of Physics (AIP) als Applied Physics Reviews (APR) Artikel veröffentlichen Beitrag die vier hauptsächlich in der Proto­typen­fertigung von Nano-Bauelementen eingesetzten Techniken vor: die fokussierten Ionenstrahlen, die Elektronen­strahl­litho­graphie, die Raster-Kraft-Mikroskop-basierten Strukturierungs­techniken und das selbst-organisierte, 3-dimensionale, lagenweise und teilweise einkristalline Wachstum („epitaxy“).

Die Autoren stellen Geschichte und Grundlagen dieser Technologien kurz vor und präsentieren für drei der Technologien jeweils drei erfolgreiche Anwendungsergebnisse. Dabei gehen sie besonders auf die mittels fokussierter Ionenstrahlen aus Flüssig­metall­ionen­quellen erzielten Ergebnisse ein. Auf diesem Gebiet hat es in den letzten Jahren viele technologische Durchbrüche gegeben, die den Einsatz dieser Technik in immer mehr Forschungs­bereichen ermöglicht.


Darüber hinaus wird eine umfangreiche Einschätzung des Potentials der vier Technologie­familien bei der Erfüllung folgender, für die Fertigung von Nano-Bauelementen wesentlicher Anforderungen präsentiert:
1. nutzbare Auflösung für die Anwendung,
2. minimal erreichbare Periode (Abstand zum nächsten Objekt),
3. Anbindung an die Probenoberfläche,
4. Freiheit in der Geometrie und Formwahl,
5. Möglichkeit der Herstellung dieser an bestimmten Probenstellen (mit welcher Genauigkeit),
6. Eignung zur (direkten) Erzeugung von 3 dimensionalen Objekten,
7. Struturierungsanforderungen die die „Sichtfelder“ von manchen der Technologien überschreiten,
8. erforderliche Gesamtzeit zur Entwicklung eines neuen Prozesses / -komplexität,
9. Verbreitung und Verfügbarkeit des Prozess „know-hows“,
10. Ausgereiftheit der Prozesse und Anlagen,
11. Zeit und Aufwand von der Idee bis zu einem Bauelement (das charakterisiert werden kann, „time to device“),
12. Möglichkeit und erforderliche Zeit für (kleine) Designänderungen,
13. Anwendungsvielseitigkeit der Technologie (Anwendungsbereiche und Materialsysteme),
14. Kosten
15. und Reproduzierbarkeit (falls mehr als ein Bauelement benötigt wird, bis zu Kleinserienkompatibilität).

Abschließend werden auch die Überleitungsmöglichkeiten von der Forschung und Entwicklung in industrielle Fertigungsprozesse diskutiert, so dass der Beitrag von hoher Relevanz für die Anwendung ist.

Raith / LK

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