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Mikrochips und Haifischhaut

Strukturen im Nanometerbereich können die Eigenschaften von Oberflächen drastisch ändern. Wie man sie herstellen kann, wird an mehreren Instituten der TU Wien erforscht.

Der Hai und der Computerchip: Beide verdanken ihren Erfolg feinen Mikrostrukturen.

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Der Hai und der Computerchip: Beide verdanken ihren Erfolg feinen Mikrostrukturen.

Der Hai und der Computerchip: Beide verdanken ihren Erfolg feinen Mikrostrukturen.

Der Hai und der Computerchip: Beide verdanken ihren Erfolg feinen Mikrostrukturen.

Ein TU-Logo mit ca. 4.2 µm Kantenlänge

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Ein TU-Logo mit ca. 4.2 µm Kantenlänge

Ein TU-Logo mit ca. 4.2 µm Kantenlänge

Ein TU-Logo mit ca. 4.2 µm Kantenlänge

Eine Mikro-Druckform und ihr Abdruck

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Eine Mikro-Druckform und ihr Abdruck

Eine Mikro-Druckform und ihr Abdruck

Eine Mikro-Druckform und ihr Abdruck

So präzise wird gearbeitet: Stempelform (master, oben) und Abdruck (imprint, unten). (Skala in µm)

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So präzise wird gearbeitet: Stempelform (master, oben) und Abdruck (imprint, unten). (Skala in µm)

So präzise wird gearbeitet: Stempelform (master, oben) und Abdruck (imprint, unten). (Skala in µm)

So präzise wird gearbeitet: Stempelform (master, oben) und Abdruck (imprint, unten). (Skala in µm)

Eine High-tech Badehose aus künstlicher Haifischhaut, Solarzellen mit einer Folie aus optischen Mikrolinsen, Mountainbikes von deren Oberfläche der Schmutz einfach  abperlt: Winzige Nanostrukturen können gewöhnlichen Materialien bemerkenswerte Eigenschaften verleihen. Um diese Ideen aus der Nanotechnologie in die Tat umzusetzen, müssen passende Methoden entwickelt werden, mit denen sich Oberflächen mit speziellen, maßgeschneiderten Nanostrukturen auszustatten lassen. An der TU Wien wird daran intensiv geforscht. Mehrere Arbeitsgruppen sind am Projektcluster „NILaustria“ beteiligt, der neue Methoden des Nano-Prägens hervorbringen soll. Dieses Projekt, finanziert von der österreichischen Nanoinitiative, wird von der Profactor GmbH koordiniert.

Lernen von der Natur
Tropft Wasser auf ein Lotus-Blatt, wird das Blatt dadurch nicht nass. Winzige Partikel auf den Blättern der Lotus-Pflanze sorgen dafür, dass Wasser abperlt und die Pflanze nicht benetzt. Auf ähnliche Weise sorgt die Haut des Haifisches für einen geringen Strömungswiderstand. Die moderne Nanotechnologie versucht einerseits von der Natur zu lernen und solche Effekte industriell nutzbar zu machen, andererseits will man das Wissen aus der Nanotechnologie auch für Bereiche einsetzen, die weit über die Vorbilder aus der Natur hinausgehen: Zum Beispiel für mikroskopisch kleine Linsen, für die Erzeugung von besonders kompakten Mikrochips oder für neue magnetische Festplattenspeicher.

Auf der Suche nach neuen Verfahren
Die Herstellung von winzigen Strukturen, etwa bei der Mikrochip-Herstellung, ist meist sehr aufwändig: Im Fotolithographie-Verfahren wird auf einen Halbleiter eine lichtempfindliche Lackschicht aufgebracht. Diese Lackschicht wird dann an den gewünschten Stellen durch Licht aufgelöst – dort liegt der Halbleiter dann frei. Anschließend wird der freiliegende Anteil des Halbleiterkristalls weggeätzt und nur die von der Lackschicht geschützten Bereiche bleiben übrig. „Diese Methode wird zwar bis heute industriell eingesetzt, hat aber entscheidende Nachteile“, erklärt Professor Heinz Wanzenböck vom Institut für Festkörperelektronik der TU Wien. Die konventionelle Fotolithographie kann nur vergleichsweise einfache Oberflächenstrukturen hervorbringen: Das Halbleitermaterial wird in diesem Verfahren entweder vollständig weggeätzt oder es bleibt vollständig erhalten - Variationen in der Höhe sind kaum möglich.

Stempeln statt ätzen

An der TU Wien forscht man an Methoden, Nanostrukturen nicht zu ätzen, sondern durch winzige Stempel direkt in die Oberfläche einzuprägen, ganz ähnlich wie feuchtes Wachs von einem Siegelring geformt wird, oder in nassem Beton ein Fußabdruck entsteht  – allerdings hunderttausend mal kleiner, mit einer Genauigkeit von etwa 100 Atomen. „Nanoimprintlithographie“ (NIL) wird dieses Verfahren genannt. „Der Anstoß für diese Forschung kam aus der Mikroelektronik, doch die Technik ist überall anwendbar, wo es um maßgeschneiderte Mikro-Strukturen von Oberflächen geht“, sagt Heinz Wanzenböck. Das Prinzip der Nanoimprintlithographie lässt sich auf viele verschiedene Materialien anwenden, nicht nur auf Halbleiterkristalle. Das Verfahren ist bereits anwendungsreif: Das österreichische Unternehmen EVG vertreibt Geräte, sogenannte „NIL Stepper“, mit denen man diese winzige Strukturen großflächig auf bis zu 300mm grosse Si-Scheiben (Wafer) einstempeln kann.

Die Qualität des Abdrucks kann natürlich immer nur so gut sein wie der Stempel selbst – die große technologische Herausforderung liegt daher in der präzisen Fertigung der Stempel. Genau damit beschäftigt sich die Forschungsgruppe von Heinz Wanzenböck. Mit fokussierten Ionenstrahlen werden dreidimensionale Strukturen mit einer Genauigkeit im Nanometerbereich hergestellt. Ein wichtiges Werkzeug dafür ist ein Simulationsprogramm, das von Gerhard Hobler (ebenfalls Institut für Festkörperelektronik) entwickelt wurde. Es ermöglicht, beliebige Wunschprofile in einen Silizium-Stempel hineinzuschneiden.

Vernetzung nach innen und außen

Auch an anderen Instituten der TU Wien wird an der Nanoimprintlithographie gearbeitet: Das Institut für angewandte Physik (Gerhard Schütz) beschäftigt sich mit mit der Anwendung von neuen bei Profactor entwickelten neuen anorganisch-organischen Hybridmaterialien für Biochip-Anwendungen. Thomas Müller vom Institut für Photonik beschäftigt sich mit der Graphenschichten die mittels  Nanoimprintlithografie strukturiertet wurden, die als Grundlage für großflächige Graphen-basierte Elektronik dient. Die Forschungsgruppen der TU Wien sind auch international bestens vernetzt: Erst im März fand eine Konferenz zum Thema Nanoimprintlithographie an der TU Wien statt. „Vertreten waren internationale Industriepartner genauso wie Forschungsgruppen verschiedener Universitäten“, sagt Heinz Wanzenböck. Grundlagenforschung und Anwendung arbeiten auf diesem Gebiet Hand in Hand.

Webtipp:
www.nilaustria.at, www.nanoinitiative.at


Nähere Informationen
Ass.-Prof. Dr. Heinz D. Wanzenböck
Institut für Festkörperelektronik
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Technische Universität Wien
Floragasse 7/1, 1040 Wien
T: +43-1-58801-36243
Heinz.Wanzenboeck@tuwien.ac.at
Webpage: fke.tuwien.ac.at