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Rubrik: Tagesberichte
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Publiziert: 15.11.2006 06:00

FIRST-Lab mit neuer Beschichtungstechnik
Hauchdünne Schichten

"Atomic Layer Deposition" (ALD) heisst eine Technik, mit der sehr dünne, homogene und gleichmässig dicke Schichten hergestellt werden können. Die ETH Zürich nutzt ALD-Schichten zum Beispiel für die Entwicklung miniaturisierter Drucksensoren und zur allgemeinen Forschung im Nano-Bereich.

Beatrice Huber

Blitzblank geputzt steht das Gerät im FIRST-Lab und ermöglicht der ETH Zürich die so genannte "Atomic Layer Deposition" ALD. "Mit ALD werden hauchdünne und extrem gleichmässige Schichten auf beliebige Oberflächengeometrien aufgebracht", erklärt Ronald Grundbacher die Vorzüge von ALD. Grundbacher forscht als wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Gruppe von Professor Christofer Hierold (1) und betreut das ALD-Gerät für das FIRST-Lab.

Die ALD-Technik wurde vor mehr als 30 Jahren vom finnischen Wissenschaftler Tuomo Suntola erfunden - das Gerät an der ETH, ein SUNALE R-150 der Firma Picosun Oy, stammt denn auch aus Finnland - und wird seit kurzem verstärkt in der Halbleiterindustrie eingesetzt. Der Grund dafür dürfte darin liegen, so Grundbacher, dass durch die fortschreitende Miniaturisierung von Chips, Sensoren und Speicherelementen immer dünnere, konforme und defektfreie Beschichtungen nötig werden. Genau solche Beschichtungen liefert ALD. Das Gerät im FIRST-Lab ist eines der ersten seiner Art in der Schweiz und kann Aluminiumoxid und Zinkoxid auf Wafer aufbringen, die maximal 150 Millimeter im Durchmesser sind.

Isolatoren, Halbleiter, Metalle

Mit ALD werden Schichten chemisch auf einer Grundoberfläche aufgebaut. Mit zwei verschiedenen Quellenmaterialien (A und B) laufen bei einer Reaktionstemperatur zwischen 150 und 450 C zwei Halbreaktionen zwischen der Grundoberfläche und den Quellenmaterialien ab. A und B werden dabei alternierend in die Reaktionskammer gebracht, und es erfolgt eine vollständige Reaktion auf der Grundoberfläche. Zwischen den beiden Quellenmaterialien wird die Kammer jeweils mit Stickstoff geflutet, sodass eine vollständige Trennung zwischen A und B erreicht wird. ALD erzeugt Schichten auf ebenen Oberflächen wie auf einem Wafer, aber auch auf anderen Geometrien. So gab es Versuche mit dreidimensionalen MEMS-Strukturen und sogar mit PET-Flaschen.


Beispielhaftes Projekt über Grenzen der ETH

Das FIRST-Lab FIRST - das Kürzel steht für "Frontiers In Research: Space and Time" - bietet eine zentrale, topmoderne Reinraum-Infrastruktur für die Forschung im Mikro- und Nanobereich (3)(4). Eingeweiht im Sommer 2002, zählt das FIRST-Lab heute rund 125 Benutzer und 40 Projekte. Das Management-Team des FIRST bilden die Professoren Colombo Bolognesi und Heinz Jäckel aus dem D-ITET, Jürg Dual, Christofer Hierold und Bradley Nelson aus dem D-MAVT, Klaus Ensslin, Atac Imamoglu, Ursula Keller und Andreas Wallraff aus dem D-PHYS sowie Nicholas Spencer aus dem D-MATL. Die Anlage mit einer Reinraumfläche von 450 Quadratmetern steht allen ETH-Instituten und auch Auswärtigen zur Verfügung. So arbeiten zur Zeit Forscher der Empa, des PSI sowie der Universitäten Zürich und Neuenburg im FIRST-Lab.




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Mit dem ALD-Gerät können Forscher im FIRST-Lab gleichmässige Schichten im Nanometer-Massstab auf Wafern aufbringen. Je nach Dicke der Schicht hat die Oberfläche des Wafers dann eine andere Farbe. gross

Mit ALD können verschiedene Materialien aufgebracht werden, seien dies Isolatoren, Halbleiter oder Metalle oder auch abriebfeste oder korrosionsbeständige Beschichtungen. Im Bereich elektronische Bauteile ist ALD interessant für gute Dielektrika (Gate Oxide, Kapazitäts-Dielektrikum) oder Diffusionsbarrieren für Kupfer. Im Bereich Mechanik zeigen die dünnen, uniformen Schichten interessante Eigenschaften für die Mikro- und Nanomechanik.

Mini-Drucksensoren

An der ETH Zürich setzt die Forschungsgruppe von Professor Hierold ALD für die Entwicklung eines Miniaturdrucksensors ein. Der Doktorand Thomas Helbling entwickelte den Drucksensor, bestehend aus einer ultradünnen Aluminiumoxid-Membran, auf der Nanoröhren aus Kohlenstoff verankert werden. Diese Nanoröhren sind die eigentlichen Sensorelemente. (2)

Bei der Herstellung wird auf einen Siliziumwafer eine ALD-Schicht aus Aluminiumoxid aufgebracht, die später die Sensormembran ist. Als Quellenmaterialien setzen die ETH-Forscher Trimethylaluminium für die erste Halbreaktion und Wasser für die zweite Halbreaktion ein und lassen die Schicht in mehreren hundert Zyklen auf rund 100 Nanometer anwachsen. Diesen Prozessschritt führten bis anhin Partner in den USA aus, was zwar sehr erfolgreich, aber für die Forscher auch umständlich war.

Seit gut einem Monat können die ETH-Forscher dies nun im FIRST-Lab tun. Eine grosse Erleichterung, die erhöhte Flexibilität für weitere Optimierungen der ALD-Schichten, der Drucksensoren und in der Nanotechnologieforschung bringen, so Grundbacher.

Micro-Electro-Mechanical System MEMS

Der entwickelte Drucksensor ist ein so genanntes Micro-Electro-Mechanical System, kurz MEMS. Dieses System ist die Kombination von mechanischen Elementen, Sensoren, Aktoren und elektronischen Schaltungen auf einem Substrat beziehungsweise Chip. Durch das Zusammenbringen von Mikroelektronik und "Micromachining"-Technologie bekommt bildlich gesprochen das Hirn auf einem Chip (d.h. die Mikroelektronik) dank der mechanischen Elemente auch "Augen" und "Arme" (Sensoren und Aktoren), um die Umwelt wahrzunehmen und zu kontrollieren.


Fussnoten:
(1) Homepage der Gruppe von Prof. Christofer Hierold: www.micro.mavt.ethz.ch
(2) ETH-Life-Bericht zur Arbeit "Feinfühlig": www.ethlife.ethz.ch/articles/sciencelife/nanosensoren.html
(3) Homepage des FIRST Lab: www.first.ethz.ch
(4) ETH-Life-Bericht über das FIRST Lab "Im Reich des Kleinsten": www.ethlife.ethz.ch/articles/tages/firstlabthalbesuch.html



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