Mikrofabrikation - Eine Methode um Nanowerkzeuge herzustellen

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1 Mikrofabrikation - Eine Methode um Nanowerkzeuge herzustellen Urs Staufer Institut für Mikrotechnik Universität Neuchâtel urs.staufer@unine.ch Werkzeug Werkzeug: Instrument zur Manipulation von Objekten, welche nicht mit blossen Händen möglich sind 1

2 Werkzeug einfache Werkzeuge benutzen Prinzipien der Mechanik um auf Objekte einzuwirken: Hammer: Schraubenschlüssel: Messer: Impulserhaltung Hebelarm Keil Werkzeuge für kleine Objekte Mensch Werkzeug Objekt = "Interface" "Griff" bleibt gleich gross kleiner werdendes Objekt Objektseite des Instruments anpassen Werkzeug ermöglicht Zugang zu kleinen Dimensionen! 2

3 Werkzeug = Interface Wie klein ist klein? ~ 50um Raster-Elektronenmikroskop Bild eines Haares 3

4 prinzipielle Fabrikationsmethoden Wie kann ich einen Gegenstand herstellen? aus Teilen zusammensetzten synthetische Fabrikation aus einem Stück herausarbeiten monolithisch Fabrikation Wie soll ich etwas bauen: monolithisch oder synthetisch? Quellen: ; 4

5 die Grösse kann entscheiden... Roland Zumbühl, Arlesheim, 1999 ; ab er sie muss nicht! Felsenkirche von Lalibela, Ethiopien In Ethiopien wurden mehrere Kirchen aus dem Felsen gehauen. Lalibela ist eines der schönsten Exemplare davon. Selbst die Dekorationen sind monolitsch gebaut! Quellen: M. Abbott, ; 5

6 erste AFM Sonden Zugeschnittene und geätzte Metallfolie (monolithisch) Diamant-Splitter auf strukturiertem Si 3 N 4 -Film (zusammengesetzt) Aus: Application of AFM to Non- Conductive Surfaces Wie kann ich etwas verkleinern? - oder Feynmanns Ameise und Milbe «What I want to talk about is the problem of manipulating and controlling things on a small scale. Why can't we manufacture these small computers somewhat like we manufacture the big ones? Why can't we drill holes, cut things, solder things, stamp things out, mold different shapes all at an infinitesimal level? What are the limitations as to how small a thing has to be before you can no longer mold it? How many times when you are working on something frustratingly tiny like your wife's wrist watch, have you said to yourself, ``If I could only train an ant to do this!'' What I would like to suggest is the possibility of training an ant to train a mite to do this. What are the possibilities of small but movable machines? They may or may not be useful, but they surely would be fun to make.» 6

7 Wie kann ich etwas verkleinern? mechanische Untersetzungen: z.b. Hebel, Pantograph serielles Verfahren! Spitzenfabrikation (z.b. für Tunnel- oder Kraftmikroskopie) mechanisches Ziehen mechanisches Schleifen anisotropes, elektrochemisches Aetzen isotropes Aetzen 7

8 Wie kann ich viele Objekte gleichzeitig verkleinern? optische Abbildung: z.b. Photoapparat f f verkleindertes Bild z.b. im Fotolack paralleles Verfahren! kostengünstig Massenproduktion am Beispiel des Transistors Der Transistor ist ein «Stromventil» Emitter Basis Kollektor erster Transistor, aus Einzelteilen zusammengebaut monolithisch gebauter, moderner Feld-Effekt Transistor (FET) 8

9 Die Längenskala der Fabrikationstechnologie m assembly area of monolithic fabrication techniques assembly Mikrotechnik Hoch- und Tiefbau Feinmechanik chemische Synthese, hochmeluklare Stoffe (Polymere) Schlosserei Mechanik Ausgangsmaterial: Silizium Si kommt als Quarz (SiO 2 ) oder in Verbindung mit andern Elementen (als Silikate im Gestein) in der Natur in grossen Mengen vor Kristall-Ziehen Einkristalline Barren - "Ingots" 30cm - Wafer 9

10 Thermisches Oxidieren Die Silizium-Scheiben werden in einer oxidierenden Umgebung auf C geheizt. : Trocken Oxidation (O 2 -Gas): Si + O 2 SiO 2 Nasse Oxidation (H 2 O-Dampf): Si+2H 2 O SiO 2 +2H 2 Wieviel Si wird verbraucht? " 1 mol Si + 1 mol O 2 = 1 mol SiO 2 A A 10

11 Thermische Oxidation im Röhrenofen Dünne Filme PVD: Physical Vapor Deposition CVD: Chemical Vapor Deposition Metallfilme Dielektrische Filme 11

12 PVD am IMT Elektronenstrahl-Verdampfer APCVD at IMT APCVD: Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition Layers available: Al 2 O 3, SiO 2 (doped or undoped) 12

13 Lithographie Was geschieht beim Blichten? Aufspaltung der Diazide-Gruppe durch Belichtung. Bildung von Ketene. ketone group diazide group O N 2 light R R C O + N 2 Reaktion der Ketene mit der Luftfeuchtigkeit, Bildung einer Carboxylic-Säure. R C O + H 2 O hydration R H O C O H In basischer Entwicklungslösung Bildung eines wasserlöslichen Esters. R H O C + NaOH "development" OH R H O C ONa + H 2 O 13

14 Muster-Transfer Muster im Resist subtraktiver Transfer additiver Transfer Muster-Transfer: Aetzen 14

15 Kristallographie von Si <001> <100> <010> {100} {110} {111} anisotropes Aetzen von Si [100] [010] <100> <111> [001] {111} Ebenen "flat" in Richtung <110> ^` ^` ^` Die Aetzgeschwindigkeit hängt von der Kristalleben ab! {100} Ebenen V-Graben 15

16 Aetzen von Spitzen aus (100)-Si trockenes Tiefenätzen ätzen passivieren Passivation am Boden ist dünner und wird viel schneller wieder weggeätzt! 16

17 Additiver Muster-Transfer: «lift-off»-technik Surface Machining Bulk Machining Die einzelnen Prozess-Schritte müssen nun so kombiniert werden, dass die gewünschte Struktur hergestellt werden kann. Werden wie z.b. in der Mikroelektronik nur dünne Schichten in zwei Dimensionen strukturiert, so spricht man von planarer Technik oder vom «surface micromachining». Die dritte Dimension kann nur beschränkt genutzt werden, z.b. mit dem Tiefenätzen, dem anisotropen Si-Aetzen oder galvanischem Abscheiden in dicke Resistschichten. Dies wird dann als «bulk micromachining» bezeichnet. Die Herstellung von AFM-Sonden wird in den allermeisten Fällen mit «bulk micromachining» erfolgen. 17

18 Si Cantilever mit monolithischer Spitze Schnittbild Aufsicht Ausgangslage: beidseitig oxidierter Si-(100)-Wafer Si Cantilever mit monolithischer Spitze 18

19 Si-Cantilever mit monolitischer Spitze 100µm Si-Cantilever mit monolitischer Spitze Kommerzielles Produkt von Nanoworld AG 19