Halbleiter 23.05.2003, 18:25 Uhr

Nanometerstrukturen stempeln

Softlithografie – diese Technologie bietet großes Potenzial für grundlegende Veränderungen in der Mikro- und Nanoelektronik. Kleinste Strukturen durch Druckverfahren zu erzeugen, bietet darüber hinaus Möglichkeiten zur Kosteneinsparung.

Softlithografie ist ein Verfahren, das bekannte Druckverfahren so verbessert, dass auch extrem kleine Strukturen damit realisiert werden können. Diese braucht man z.?B. für die Mikrostrukturtechnik und die Mikroelektronik. Während die konventionelle Drucktechnik heute Strukturen bis herunter zu etwa 10 µm bis 20 µm realisieren kann, lassen sich mit der Softlithografie bereits Strukturen zwischen 0,5 µm und 0,25 µm realisieren. Das Drucken bis zu 150 nm scheint großtechnisch durchaus möglich und im Forschungslabor in Rüschlikon bei Zürich hat IBM bereits weniger als 100 nm erreicht.
Bruno Michel vom IBM Forschungslabor in Rüschlikon: „Selbst 40 nm scheinen noch mit Softlithografie machbar.“ Und er fügt hinzu: „Die Realisierung komplexer Strukturen läuft in zwei Schritten. Das Abformen des Druckstempels ist das eine, der eigentliche Druckprozess das andere. Da die Druckstempel nachgiebig sind, wird während des Druckens das Druckbild immer etwas größer als die Struktur auf dem Stempel.“
Die Stempel werden aus flüssigem Poly-Dimethylsiloxan (PDMS) hergestellt. Diese Polymervorstufe wird auf den mit Elektronenstrahllithografie hergestellten „Master“ gegossen: Nach 24 h bei einer Temperatur von 60 °C ist der Stempel fertig. PDMS ist transparent für Wellenlängen bis herunter zu 250 nm. Es erlaubt daher auch strukturierte UV-Vernetzung von Polymeren oder eine selektive Kontaktbelichtung von Photolack. Vor sieben Jahren hat man bei IBM in Rüschlikon mit diesen Arbeiten begonnen.
Der derzeitige Arbeitsschwerpunkt zielt auf Biochips. Die Masterkosten für die Stempel sind etwas gleich hoch wie bei herkömmlicher Fotomaskentechnik, weil ja auch die Stempelmaster mit Elektronenstrahllithografie gefertigt werden müssen. Wenn man dann aber viele Stempel von nur einem Master machen kann, zahlt sich das teure Herstellungsverfahren für den Master schnell aus. Daraus ergibt sich, dass diese Technik nur sehr bedingt für Kleinserien brauchbar ist, Großserien hingegen wirtschaftlich rasch profitieren können.
Ein weiterer entscheidender Vorteil der Softlithografie liegt darin, dass man mit großen Stempeln Flächen bis zu 1 x 2 m drucken kann. Das passt sehr gut zu großen Displays, die eines Tages die heutigen LCD-Bildschirme ablösen sollen. Man braucht etwa vier bis sieben Maskenschritte für die Herstellung von Dünnfilmtransistoren für ein LCD-Display. Bei der Softlithografie wären nach heutiger Erkenntnis fünf Maskenschritte für die Produktion ein Optimum. Noch kann man nicht alle erforderlichen Strukturierungsschritte mit solchen Softstempeln machen, wenngleich wichtige Grundstrukturen wie Halbleiter, transparente Elektroden und Metallelektroden schon realisierbar sind.
Für wirklich gute LCD-Displays braucht man feinste Strukturen zwischen 2 µm und 8 µm. Die Anforderungen an die Ausbeute („Yield“) ist deutlich höher als z.?B. bei DRAM-Halbleiterspeichern, weil man – im Gegensatz zu Speichern – keine Reservezellen für eine nachträgliche Reparatur vorrätig halten kann. So ist eigentlich nicht die gewünschte Kleinheit der Strukturen die eigentliche Herausforderung, sondern der Yield. Da überlagern sich die Ausbeuten der einzelnen Druckschritte: 90 % Ausbeute für den ganzen Prozess werden da schon angestrebt.
Auch die Nanotechnologie ist heute deswegen so teuer, weil sie sich der bisherigen Techniken bedienen muss, die von der Halbleiterfertigung entlehnt sind. Und die dafür benötigten Lithografie- und Ätzgeräte sind die aufwändigsten Posten in der Chipfertigung. Die heutigen Verfahren machen die Aufbereitung feinster Strukturen extrem teuer. Da wäre „Stempeln“ ein sehr wirtschaftliches Arbeitsfeld.
Generell wäre die Softlithografie bei Stukturen unter 300 nm das Strukturierungswerkzeug der Wahl für das Bedrucken von großen Flächen. Das hat auch die Europäische Union erkannt und ein Forschungsprojekt gestartet: „Emerging Nanopatterning Methods“. Vielleicht der Beginn einer neuen Produktionstechnologie für die Nanotechnik. DELANO L. KLIPSTEIN

Ein Beitrag von:

  • Delano L. Klipstein

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