Aufbruch in die Nanoelektronik

VDI nachrichten, Santa Barbara, 20. 8. 04 -Noch über ein Jahrzehnt wird die Miniaturisierung in der Halbleiterwelt anhalten, glauben Experten. Dann wird sich die Ära der Strukturierung vom Großen ins Kleine umkehren in das „Bottom-up“. Und die Selbstorganisation wird zum technischen Prinzip, so eine Studie des VDI-Technologiezentrums.

$bild1$ Die Welt wird kleiner – getrieben von den mächtigen Zwergen der Siliziumchips. Ihre laufende unaufhörliche Miniaturisierung ist mittlerweile beim „half pitch“ (Leiterbahnbreite plus Zwischenraum dividiert durch 2) von 90 nm angekommen. Und das Rennen geht weiter: Die nächsten Wegmarken der Roadmap, 65 nm und 45 nm, sind bereits in Sicht.
Mindestens zehn bis zwölf Jahre wird das historische „downscaling“ noch so weitergehen, um eine weitere Größenordnung (nach zweien in den letzten 40 Jahren) auf Strukturgrößen um 20 nm. Doch immer problematischer wird dabei die Größendiskrepanz der Tools und der mit ihnen zu erzeugenden Strukturen. Die Anforderungen an Prozesse und Materialien (Lithografie, Masken, Fotoresists, Lichtquellen) steigen ebenso exponentiell wie der zyklische Kapitalaufwand für Entwicklung und Fertigung, Labs und Fabs.
Irgendwann auf dem Weg hinab in die Nanowelt wird die Ära der „Top-down“-Strukturierung – vom Großen ins Kleine – zu Ende gehen müssen. Da hilft kein Schnitzen und Feilen.
Dann schlägt die Stunde des „Bottom-up“: vom Kleineren ins Größere, Nano auf Meso, Nano auf Makro. Stein auf Stein: Halbleiterkristalle aus Molekülverbänden, Monolayern, Nanoröhren, Polymeren und Supramolekülen. Kontrollierte Agglomeration kleiner Einheiten zu größeren funktionalen Gebilden, Bauelementen, Schaltungen. Molekular. Aber nicht in starker kovalenter (chemischer) Bindung, sondern mit schwacher, lokaler Wechselwirkung. Als Teilschritt der Chiperzeugung läuft das schon heute: per Molekularstrahl-Epitaxie (das schichtweise Aufdampfen einzelner dotierter Layer auf den Wafer). Oder per Sol-Gel: dem „Spin-on“ funktionaler Schichten aus der Flüssig-Phase.
Auch das Ziehen eines Silizium-Einkristalls aus der Schmelze als Ausgangsstoff für die Wafer ist „bottom-up“: Beim Abkühlen formieren sich die Siliziumatome in thermodynamischer Balance zur thermodynamisch stabilen Kristallstruktur. Also „Selbstorganisation“ – im Deutschen mit der Konnotation autonomer Akteure, die sich zum höher organisierten Verband verbrüdern. Die Angelsachsen nennen es „self assembly“: automatenhaftes serielles Verkoppeln bewusstloser Agenzien.
„Selbstorganisation“. Das ist der höchst aktuelle Überbegriff für eine unübersehbare Fülle natürlicher und technischer Zweckverbände, die sich dank programmatischer Eigenschaften ihrer Bausteine erkennen und spontan zu komplexen Funktionsgebilden zusammenfinden. Ein Grundprinzip der Evolution, das man in allen Größenskalen konstatiert: DNA-Stränge „erkennen“ ihr genetisches Pendant und formen die Doppelhelix als Bauprogramm des Lebendigen. Organismen wachsen in funktionalen Zellverbänden. Die Polymer-Chemie agglomeriert Molekülketten zur Copolymerisation. Die vom Nobelpreisträger Jean-Marie Lehn vor mehr als 50 Jahren angestoßene „supramolekulare“ Chemie geht noch weiter – sie erforscht und nutzt große polyfunktionale Molekülverbände.
Selbstorganisation als technisches Prinzip: Nutzung natürlicher, dynamischer Komplexität zur Strukturierung elektronischer und photonischer Schaltelemente. Für Chips in Nano-Dimensionen kommt das wie gerufen. Und quasi als Zugabe winken nichtlineare, exotische Quantenphänomene der Nanowelt als zukünftige gestalterische Qualitäten. Kreativer Nebeneffekt: „Selbstorganisation“ als gedanklicher Überbau schafft neue, interdisziplinäre Verbindungen zwischen Chemie und Biologie, Medizin und Elektronik.
Also Nanoelektronik, die nächste Stufe der Mikroelektronik. Da tut sich unübersehbar viel: Platzieren von Bauteilen, etwa GaAs-LEDs, auf Si-Substraten durch gezieltes Absetzen an den gewünschten Stellen, gesteuert durch elektrische Felder, als Ersatz des mechanischen „pick-and-place“. Erforscht im EU-Projekt Shots (Self Assembled Hybrid Optoelectronic Technologies). Oder durch magnetische Felder (Microsystem Technology Laboratories, Cambridge). Durch Aufschwemmen aus einer Flüssigkeit („fluidic self assembly“) bei der US-Firma Alien Technology.
Nanokristalle auf Si-Substraten für ultrakompakte Flash-Speicher entstehen bei IBM, über selbst organisierende Polymermatrizen mit 20 nm großen Öffnungen. Bei Infineon denkt man an gebündelte Kohlenstoff-Nanoröhren als Verbindungs-„Vias“ für hohe Stromdichten von 106 A/cm² zwischen den Substraten mehrlagiger ICs. Die Verknüpfung von Peptiden mit Nanoröhren untersucht das EU-Projekt „DNA-based electronics“. Andere Schwerpunkte: Nanokristalle, 50 nm bis 500 nm groß, mit Nanopartikeln beschichtet. Quantenpunkte. Photonische Kristalle.
Wie geht es weiter? Eine vom BMBF geförderte Studie der VDI-Technologiezentrum GmbH (Abteilung Zukünftige Technologien Consulting) analysiert die „Ansätze zur technischen Nutzung der Selbstorganisation“. Seit mehr als zehn Jahren wird weltweit geforscht, sagt Co-Autor Dr. Heinz Eickenbusch. Nischenprodukte existieren schon in der Medizintechnik, zur Krebsdiagnose über molekulare Marker. Bei Publikationen und Patentanmeldungen dominieren die USA. Doch die europäische Szene ist gut aufgestellt, vor allem wegen der Bindung des Themas an die Chemie und Medizin.
Fokus der Studie sind Früherkennung und Synergien. Ein Monitoring-Bericht nennt Quellen und Details (www.zt-consulting.de). Der eigentliche Ergebnisband erscheint in den nächsten Wochen. Er bewertet die Technologiepotenziale und entwickelt Strategien zu deren volkswirtschaftlicher Nutzung. Selbstorganisierte Technologiepolitik, wenn man so will.
WERNER SCHULZ