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RUB-Nanoelektroniker mit neuem Strukturierungsverfahren

04.05.1999 - (idw) Ruhr-Universität Bochum

Mit einem neuen Verfahren zur Nanolithographie können RUB-Wissenschaftler mit Hilfe eines Rasterkraftmikroskops in verschiedensten Materialien Furchen von weniger als 50 nm Breite (nm = milliardstel Meter) ziehen.


Elektronenmikroskop-Aufnahme eines Linienmusters, das in einen 1,5 nm dicken SiO2-Film auf Si geätzt wurde. Die Linienbreite beträgt 30-40 nm, der Durchmesser des Kreises ca. 1,5 µm.
Elektronenmikroskop-Aufnahme von ca. 40 nm breiten Furchen in einem 10 nm dicken Goldfilm. Der Ausschnitt zeigt eine Linie mit 5-fach höherer Vergrößerung Bochum, 04.05.1999
Nr. 96


Kleinste Furchen bringen Elektronen in Form
Dynamisches Pflügen auf der Nanometerskala
RUB-Nanoelektroniker mit neuem Strukturierungsverfahren


Ein neues Verfahren zur Nanolithographie, mit dem in verschiedensten Materialien Furchen von weniger als 50 nm Breite (nm = milliardstel Meter) gezogen werden können, wurde kürzlich am Lehrstuhl von Prof. Dr.-Ing. Ulrich Kunze (Werkstoffe der Elektrotechnik, Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik der RUB) vorgestellt (veröffentlicht im Journal of Applied Physics, Volume 85, Number 7, 1. April 1999). In Experimenten konnten auf Anhieb an Halbleitern, Isolatoren und Metallen Linienbreiten bis hinab zu 25nm erzeugt werden. Das Verfahren arbeitet mit dem Rasterkraftmikroskop (RKM), das sich dabei als ein universell einsetzbares und dabei vergleichsweise kostengünstiges lithographisches Werkzeug erwiesen hat.
Nanotechnologie für die Zukunft

Prof. Kunze und seine Mitarbeiter befassen sich mit den Transporteigenschaften von Elektronen in extrem kleinen Halbleiterstrukturen. Ihr Ziel ist die Herstellung neuartiger Bauelemente mit Abmessungen im Nanometerbereich, sogenannter nanoelektronischer Bauelemente, um die Packungsdichte von (z.B. Computer-) Schaltkreisen künftig noch wesentlich steigern zu können.

Mit Quanteneffekten zu neuen Bauelementen

Das Neue an nanoelektronischen Strukturen liegt in der Aufdeckung von Quanteneffekten im Transport, die bei herkömmlichen ("großen") Bauelementen verborgen bleiben: Elektronen bewegen sich durch den Halbleiterkristall als Wellen. Erst wenn die Abmessungen eines von Elektronen nutzbaren Raumbereichs im Kristall den Abständen zwischen Wellenbergen entspricht, werden diese Quanteneffekte bedeutsam. Die Größenordnung liegt hier bei einigen 10 Nanometern (nm). Ferner ist die Ladung der Elektronen portioniert (Elementarladung), und auf engem Raum wird die gegenseitige Abstoßung sehr wirkungsvoll. Es gibt begründete Hoffnung, die Wellennatur und Einzelladungseffekte im Nanometerbereich ausnutzen zu können, vor allem weil bei diesen kleinen Abmessungen herkömmliche Bauelemente nicht mehr verwendbar sind.

Design unterm Elektronenmikroskop

Die Schlüsseltechnologie zur Herstellung von Nanometer-Strukturen ist die Nanolithographie, das Schreiben und Übertragen exakt definierter geometrischer Muster auf der Halbleiteroberfläche. Als Standardinstrument für Forschungslabors gilt heute der fokussierte Elektronenstrahl z.B. eines Elektronenmikroskops. Ein auf dem Halbleiter aufgebrachter dünner Polymerfilm wird mit dem Elektronenstrahl in der gewünschten Form beschrieben, dabei zerschlagen die Elektronen die Molekülketten in kleine Bruchstücke. Nachdem diese in einem Entwickler herausgelöst wurden, liegt der Halbleiter an den beschriebenen Stellen bloß und kann z.B. lokal abgeätzt werden. Die Auflösungsgrenze dieses Verfahrens liegt bei etwa 20-30 nm, eine substantielle Verbesserung ist nicht mehr zu erwarten.

Mit feiner Spitze zartfühlend abtasten

So wie das Elektronenmikroskop ursprünglich ein Abbildungswerkzeug für kleine Strukturen war, ist auch das Rasterkraftmikroskop (RKM) 1986 für das Abbilden von Oberflächendetails bis in den atomaren Bereich (0,1 nm) entwickelt worden. Hierbei ist eine feine Spitze mit etwa 10 nm Durchmesser an der Unterseite eines federnden Stabes angebracht, die zeilenweise über die zu untersuchende Oberfläche geführt wird. Abstoßende Kräfte zwischen Spitze und Unterlage führen zu einer Verbiegung des Stabes, die optisch abgetastet wird und die Höheninformation der Oberfläche enthält. Wenn der Federstab zusätzlich in Schwingungen versetzt wird und die Spitze dabei periodisch auf die Unterlage tippt, werden die Kräfte nochmals stark reduziert. Mit diesem 1993 eingeführten Trick ist sogar eine zerstörungsfreie Abbildung von organischem Material (z.B. eines DNA-Stranges) möglich.

Besser dynamisch pflügen

Schon bald nach Einführung des RKM entdeckten Nanotechnologen weltweit den Nutzen der feinen Spitze als Werkzeug zur Nanolithographie. Universell für alle Materialien bietet sich auch hier wieder der Umweg über einen Polymerfilm an, sind doch die weiteren Verfahrensschritte längst bekannt. Der Polymerfilm wird mit der Spitze entlang einer Linie durchpflügt und dabei zur Seite gedrängt, so daß wiederum ein wenig von der Substratoberfläche frei liegt und geätzt werden kann. Wegen der Biegsamkeit des Federstabes ist die Richtung jedoch auf seine Längsachse beschränkt, eine echte Lithographie somit nicht möglich. Anders die vibrierende Spitze: Querkräfte treten nicht auf, sie kann in jede Richtung bewegt werden. Wenn schließlich noch die Vibrationsstärke drastisch erhöht wird, verwandelt sich das zartfühlende Abtastinstrument in einen den Polymerfilm energisch zerfurchenden "dynamischen" Pflug.

An Halbleitern, Isolatoren und Metallen auf Anhieb erfolgreich

Das Bochumer Verfahren beruht auf dieser dynamischen Pflügemethode, verbunden mit einer präzisen Steuerung der Bewegung über die Oberfläche entlang zuvor festgelegter Linienmuster und einer dabei ortsabhängig umgeschalteten Vi-brationsstärke. Dieses offenkundig einfache Prinzip wurde an Halbleitern, Isolatoren und Metallen demonstriert und lieferte auf Anhieb eine Linienbreite von geätzten Strukturen bis hinab zu 25 nm, und die Auflösungsgrenze dürfte noch lange nicht ausgereizt sein. Kurzum: Das RKM ist ein universell einsetzbares und dabei vergleichsweise kostengünstiges lithographisches Werkzeug, das im Forschungslabor unschätzbare Dienste leistet.


Weitere Informationen

Prof. Dr.-Ing. Ulrich Kunze, Ruhr-Universität Bochum, Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik, 44780 Bochum, Tel.: 0234/700-2300, Fax: 0234/7094-166, email: kunze@lwe.ruhr-uni-bochum.de
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