Halbleiter-Strukturierung „Kleinste Geige der Welt“: Physiker testen Nano-Lithografie für die nächste Computer-Generation

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Was auf den ersten Blick wie eine lustige Spielerei erscheint, könnte tatsächlich einen bedeutenden Beitrag zur Forschung bei Materialien und Methoden für die nächste Computer-Generation leisten. Denn diese Experimente bieten Potenzial auf dem Weg zu höherer Recheneffizienz oder neuen Arten der Energiegewinnung.

Physiker an der britischen Loughborough University haben mithilfe modernster Nano-Strukturierungsverfahren eine Geige hergestellt, die auf ein menschliches Haar passt. Die Violine besteht aus Platin und ist 35 µm lang und 13 µm breit. Zum Größenvergleich: Ein menschliches Haar hat einen Durchmesser von 17 bis 180 µm.

Diese Miniaturgeige ist allerdings kein spielbares Instrument, sondern ein Testprojekt, um die Möglichkeiten eines neuen Nano-Lithografie-Systems zu demonstrieren. Damit wollen die Forscher Strukturen im Nanobereich bauen und untersuchen, um neue Werkstoffe und Methoden für die Entwicklung künftiger Computer zu erforschen.

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Professorin Kelly Morrison, Leiterin des Dekanats Physik an der Loughborough University, erklärt: „Obwohl die Herstellung der kleinsten Geige der Welt wie ein lustiges Spiel erscheint, hat vieles, was wir dabei gelernt haben, die Grundlage für die Forschung gelegt, die wir jetzt betreiben.“

Das Nanolithografie-System: NanoFrazor im Einsatz

Mit dem NanoFrazor, einer hochpräzisen Nano-Strukturierungsanlage des deutschen Unternehmens Heidelberg Instruments, können Experimente entworfen werden, bei denen Materialien auf unterschiedliche Weise untersucht werden – sei es mit Licht, Magnetismus oder Elektrizität. Das Ziel ist, das Verhalten der Werkstoffe zu verstehen und dieses Wissen für neue Technologien zu nutzen, etwa zur Verbesserung der Recheneffizienz oder zur Erschließung neuer Wege der Energiegewinnung.

Der NanoFrazor nutzt die thermische Rastersonden-Lithografie in Kombination mit Lasersublimation. Dabei „schreibt“ eine erhitzte, nadelartige Spitze im Atommaßstab Muster auf Oberflächen. Das Verfahren basiert auf dem Prinzip der Rasterkraft-Mikroskopie (Atomic Force Microscopy, AFM), das bei IBM in Rüschlikon entwickelt wurde. Durch spezielle Cantilever (Hebelarme mit in die Mikrospitze integrierter Heizung) kann gezielt Wärme eingesetzt werden, um Strukturen in einer Lackschicht zu erzeugen.

Da diese Methode auf Wärme anstelle von geladenen Teilchen beruht, bietet sie Vorteile gegenüber herkömmlichen Lithografieverfahren, beispielsweise der Elektronenstrahl-Lithografie. Dazu gehören eine geringere Beeinflussung der Materialien und eine höhere Flexibilität bei der Strukturierung. Über einen präzisen Proben-Positioniertisch, der auf Basis eines virtuellen mathematischen Modells gesteuert wird, ist eine hochgenaue Positionierung im Nanobereich mit Standardgeräten möglich.

Herstellung der Miniaturgeige: Schritt für Schritt

Zur Herstellung der Geige wurde ein kleiner Chip mit zwei Schichten eines gelartigen Materials (einer Art Fotolack), dem sogenannten Resist, beschichtet. Mit dem NanoFrazor wurde das Geigenbild in die Oberfläche „geschrieben“. Anschließend wurde der Resist entwickelt, sodass die Umrisse als geätzte Vertiefungen sichtbar bleiben. Diese Vertiefungen füllten die Forscher dann mit einer dünnen Platinschicht. Das überschüssige Material wurde mit Aceton entfernt, sodass die fertige Miniaturgeige auf dem Chip sichtbar ist.

Der gesamte Herstellungsprozess dauert etwa drei Stunden. Im Vorfeld gab es mehrere Versuchsmonate, in denen Techniken verfeinert und getestet wurden.

Das System ist vollständig durch eine Reinraumbox und eine Reihe miteinander verbundener Kammern gekapselt, um Feuchtigkeit und Staub von den empfindlichen Substraten fernzuhalten. Um diese kontrollierten Bedingungen aufrechtzuerhalten, wurde der Chip mit kleinen Metallarmen, die von außen bedient werden, vorsichtig zwischen den Kammern bewegt.

Blick in die Zukunft: Forschungsprojekte mit dem Nanolithografie-System

Das System ist auf andere Fertigungsverfahren übertragbar, etwa für die Strukturierung von Halbleiter-Chips oder die Herstellung nanoskaliger Leiterbahnen. An der Loughborough University laufen bereits zwei Projekte, bei denen das Nano-Lithografie-System eine zentrale Rolle spielt: Eine Alternative zur magnetischen Datenspeicherung und eine Forschungsreihe, die untersucht, wie Wärme für eine schnellere und energieeffizientere Speicherung genutzt werden kann.

Energiewandlung für effizientere und schnellere Speicher: Dr. Naomi Leo arbeitet an der Erzeugung und Steuerung von Temperaturgradienten, um neuartige, effiziente und schnelle Halbleiter-Chips herzustellen. Dazu kombiniert sie magnetische und elektrische Materialien mit speziell entwickelten Nanopartikeln, die bestimmte Wellenlängen des Lichts absorbieren und diese Energie in Wärme umwandeln.

Das Nano-Lithografie-System ermöglicht die präzise Strukturierung und Integration mehrerer Materialien und Funktionen auf einem einzigen Baustein – ein entscheidender Schritt auf dem Weg zur Entwicklung künftiger Computer.

Alternative zur magnetischen Datenspeicherung: Dr. Fasil Dejene untersucht mit dem Nanolithografie-System eine effizientere Alternative zu den heutigen magnetischen Datenspeicher- und Computertechnologien. Der Fokus liegt darauf, wie mit Quantenmaterialien die Entwicklung kleinerer, schnellerer und zuverlässigerer magnetischer Speicher möglich ist, die nicht nur in Datenspeichern, sondern auch in neuen, vom Gehirn inspirierten Computertechnologien Anwendung finden.

Warum eigentlich eine Geige?

Das Forscherteam schuf die nanoskalige Geige als spielerischen Verweis auf den bekannten Popkultur-Satz „Can you hear the world’s smallest violin playing just for you?“ (Kannst du die kleinste Geige der Welt hören, die nur für dich spielt?), der verwendet wird, um übertriebene Beschwerden oder übermäßig dramatische Reaktionen zu verspotten. Der Satz wird von einer Handgeste begleitet, die jemanden nachahmt, der eine winzige Geige zwischen Daumen und Zeigefinger spielt. (kr)

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